编号：FTJS108048
篇名： 硅藻土基隔热储热陶瓷设计制备与性能调控
作者： 包凯笛
关键词： 高温热管理; 多孔陶瓷; 低温烧结; 相变复合材料; 热物性能;
机构：武汉理工大学
摘要： 高温工业热能利用面临着损耗大和利用效率低的共性问题,开发和利用高效热管理材料是解决这一问题的有力手段。热管理材料的技术核心是利用高性能的散热、隔热和储热材料,对热能释放、传递以及储存过程进行调控,以实现较高的能量利用率。在高温环境下,隔热和储热材料的应用尤为重要。多孔陶瓷因其低热导率和高稳定性,是高温环境下热管理材料的首选。通常情况下,较高的烧结温度和复杂的制备工艺意味着更高的能源损耗,通过组分设计和烧结制度调控,可以以更低烧结温度和成本实现优异的性能。同时,利用化学稳定性和孔隙结构,对多孔陶瓷进行进一步复合加工,实现陶瓷材料多功能化,赋予多孔陶瓷更多的应用环境。 本研究以改性硅藻土和白云石为主要原料,采用低温烧结法制备了兼具高强度和低热导率的硅藻土基分级多孔陶瓷。白云石既作为造孔剂产生CO2气体,又作为陶瓷组分原位产生多孔Mg O。所制备的多孔陶瓷具有分级孔结构,保留了白云石本身2-300 nm的纳米孔,同时利用白云石分解产生1-10μm的大孔和层间孔径为50-300 nm的多孔Mg O。多孔陶瓷的主要物相为方石英相、辉石相、硅灰石相和具有特殊结构的Mg O相。研究了白云石添加量对多孔陶瓷力学性能和隔热性能的影响。结果表明,添加30%的白云石可得到孔隙率为59.8%的多孔陶瓷,且孔径分布最佳,多孔陶瓷的最低热导率达到0.094 W·m-1·K-1。此时,在多孔陶瓷中硅灰石和辉石类产物的存在下,分别贡献了最高的压缩和弯曲强度29.66 MPa和7.22 MPa。装置搭建测试和有限元模拟分析表明,在1000℃应用环境下,多孔陶瓷体现出杰出的隔热性能和热稳定性能,作为高温炉体的隔热层材料具有应用前景。 依据材料封装的思想,以制备的最佳孔径分布的多孔陶瓷为基础,选用高应用温度的Na2SO4为相变材料（PCM）,设计并制备了Na2SO4/硅藻土陶瓷相变复合材料。研究表明,两者具有良好的化学相容性,复合方式仅为物理结合。将当前应用广泛的混合烧结法和熔融浸渗法相结合进行制备,使得熔盐分布于陶瓷中的各类孔隙结构中,实现了最高58.9%的熔盐填充率。熔盐的添加使得多孔陶瓷压缩强度和抗弯强度分别提升了49.6%和75.8%,且具备了0.426 W·m-1·K-1的最大热导率。复合材料具有96.1 J/g的相变潜热,相变温度点存在于245℃和888℃。同时,相变材料在900℃时表现出良好的热稳定性,在热循环测试后质量损失率和体积变化率均小于5%,为高温工业余热回收利用提供了新思路。