气孔结构参数与轻质砖热导率的相关性研究

1、 气孔结构参数与轻质砖热导率的相关性研究 魏国平，朱伯铨魏国平，朱伯铨武汉科技大学材料与冶金学院武汉科技大学材料与冶金学院耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 2报告内容如下：1研究背景及意义研究背景及意义234研究内容及技术线路研究内容及技术线路5气孔率对热导率的影响气孔率对热导率的影响耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 31 研究背景及意义 轻质隔热耐火材料具有热导率低、耐火度高和高温性能优良(较好的高温强度及热震稳定性)等特点，在涉及的高温行业得到广泛应用。 与轻质隔热耐火材料蓬勃发展的工艺研究相比，其气孔结构参数对热导率的影响研究并不充分，如孔径分布对隔热耐火材料热导率的影响

2、机制尚不明确，需进一步研究，其原因有：(1)不同孔径的气孔具有不同的热传递机制，高温下究竟哪种占主导地位需进一步研究；(2)部分亚微米或纳米气孔对耐火材料高温下隔热贡献的作用需进一步研究。拟通过探明气孔结构参数对轻质隔热耐火材料高温下传热行为的影响规律，从而揭示其与高温热导率的相关性。其研究成果可为轻质隔热耐火材料的隔热性能设计提供理论借鉴意义。耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 42 研究内容及技术线路 2.1 研究内容(1) 制备一序列不同容重的轻质砖试样； (2) 对轻质砖试样的气孔结构参数(气孔率和孔径分布)进行 定量表征；(3) 气孔结构参数对轻质砖高温热导率的影响。耐火材料与

3、高温陶瓷国家重点实验室培育基地 52.2 研究技术线路耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 6轻质砖试样的制备p 以漂珠、粉煤灰和高铝矾土熟料为主要原料，其中，漂珠的质量分数分别为25%、35%、65%和85%，外加适量的黏土和水为结合剂，经配料、混合、半干法成型、干燥，然后经1 200 保温3 h热处理，得到4种不同容重的轻质砖试样；容重分别为1.2、0.9、0.6 g/cm3和0.5 g/cm3。耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 73 气孔结构参数的定量表征 开口气孔率和闭口气孔率的测定采用Accupyc1330型全自动真密度分析仪测定试样的真密度th，再用th计算总气孔率T(

4、%)=100(1-v/th)，其中，v为试样的容重。参照YB/T5200-1993测定试样的开口气孔率。闭口气孔率=总气孔率 开口气孔率 耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 83 气孔结构参数的定量表征203040506070809010152025303540455055606570758085总气孔率开口气孔率闭口气孔率气孔率/%漂珠的添加量/%图1 漂珠的添加量与试样气孔率的关系 耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 9气孔率对热导率的影响10152025300.30.40.50.60.70.80.91.0导热系数(W/(mk)闭口气孔率/% 600 800图2 闭口气孔率与热

5、导率的关系 闭口气孔率由10.23%增加到28.99%时，试样的热导率降低了约60%。耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 10气孔率对热导率的影响556065707580850.30.40.50.60.70.80.91.0导热系数(W/(mk)总气孔率/%y=0.36+2.0104e-0.18X R2=0.97y=0.40+2.4104e-0.19X R2=0.99 -600 -800图3 总气孔率与热导率的关系 两者之间的关系可用公式表示为：k=A+Be-cp，其中A、B和c均为常数，k为热导率，p为总气孔率。 耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 11气孔孔径分布的定量表征p 孔

6、径分布的测量方法常用的有压汞法和泡压 法，测量问题： (1)只能测量开口气孔的孔径分布，而轻质隔热耐火材 料中含有相当部分的闭口气孔，无法准确测量； (2)随着测量压力的增大，会破坏轻质隔热耐火材料的 孔结构； p 借助于计算机图像分析技术测量气孔孔径分布。耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 12漂珠的添加量对孔径分布的影响(a) 25% (b) 35%(c) 65% (d) 85%耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 13漂珠的添加量对孔径分布的影响(a) 25% (b) 35%(c) 65% (d) 85%耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 14漂珠的添加量对孔径分布的影响

7、(a) 25% (b) 35%(c) 65% (d) 85%各个孔径区间气孔的位置分布和同一区间内气孔的分散程度 。耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 15漂珠的添加量对孔径分布的影响25002468101214161820 类面积含量百分比/%气孔孔径区间/m A B C D图4 各组试样中气孔的孔径分布 耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 16孔径分布与热导率的灰色关联分析p 为了更明确的判断不同孔径区间对轻质砖热导率影响的大小，将所测轻质砖试样全部孔径范围分为250m六个区间，借用灰色系统理论来研究不同孔径区间与轻质砖热导率的关联度。 p 灰色关联分析则是根据序列曲线几何形状

8、的相似程度来判断其联系是否紧密：曲线越接近，相应序列之间关联度就越大，反之就越小。灰色关联分析的目的在于寻求系统中各因素之间的主要关系，根据发展趋势分析找出影响系统的主要因素 。耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 174 气孔孔径分布对热导率的影响表1 各组试样的热导率热导率/(W/(mk)试样编号ABCDX01(i)600 0.82630.44860.42210.3226X02(i)800 0.91750.50920.45300.3860X01(i) 600时的热导率; X02(i) 800时的热导率耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 184 气孔孔径分布对热导率的影响表2 各组试样的孔径分布与其热导率的灰色关联度孔径区间/m孔面积百分比/%灰色关联度ABCDX01(i)X02(i)X1(i)2500.561.051.030.420.580.56X1(i)-X6(i)不同的孔径区间.耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 195 结论p (1) 随着漂珠添加量的增加，轻质砖的闭口气孔率和总气孔率显著增加，但开口气孔率变化不明显。p (2) 在一定温度范围内，轻质砖的热导率随着总气孔率的增大而呈指数关系减小。p (3) 不同孔径区间与热导率的灰色关联分析表明，150 m范围内的气孔与