海南制冷材料——隔热耐火材料的隔热机理、影响因素及研究现状
2020-08-12 15:10:25
海南制冷材料——氧化铝隔热材料的隔热机理、影响因素及研究现状
隔热耐火材料是指对热起屏蔽作用的一种材料，具有气孔率较高、热导率小和热容量低等特点。隔热耐火材料主要用于高温环境下阻止热量的散失或用于低温环境条件下以隔绝热量流入，因此，又称之为保温或保冷材料。但传统的隔热耐火材料表现出较差的抗侵蚀能力、强度和耐磨性，常用于工作面外层的保温层。隔热耐火材料的高效隔热保温效果对热工窑炉的节能、产品质量和高效安全生产起着重要作用，因此，常被用作热工窑炉的炉衬材料。而氧化铝隔热材料以其低导热系数、高机械强度和高使用温度的特点成为目前热工窑炉炉衬材料的理想选择之*，并引起了广泛关注。
1、氧化铝隔热材料
氧化铝隔热材料是多孔材料的一种，其隔热行为是一个比较复杂的过程。众所周知，隔热材料中包含有大量的孔隙，致使热量在其中的传递主要是通过固相与气相的传热。固相传热的方式主要为传导，而热量通过气相传递相比固相传热要复杂得多。图1是通过隔热材料传热的简单原理图及详细机理图。当热量H0由高温区通过隔热材料向低温区传递时，在未触及气孔前，传热过程是在固相中进行的，即通过固相的传导(方式a);热量遇到气孔后，其传输路线就会被拆分为两条：一条仍通过固相传导，而另一条则通过气孔传热，通过气孔的传热主要有空气对流传热(方式b)、辐射传热(方式c)以及气体分子的运动导致的传热(方式d)，其传热量分别是H1、H2、H3。
对流传热则是利用隔热材料中空气的对流运动使热量产生一定的位移，达到热量传递的目的。由于大多隔热材料中气孔相对较小，气孔中空气的流动受到阻碍，从而导致隔热材料中对流传热占比较小。气相传热中，除了对流传热外还存在辐射传热，辐射传热随着温度升高所占比例增大。
导热系数作为衡量材料隔热性能的重要尺度，其大小反应了材料隔热性能的优劣。隔热材料是由气相和固相组成的多相材料结合体，基于上述隔热机理，影响导热系数的因素主要有气相含量和分布、材料的化学组成及结晶状态等。
氧化铝隔热砖
隔热材料中气相的分布和含量对隔热材料的传热有显著影响。此外，气相的导热系数要低于固相的导热系数，使得材料的导热系数在低温条件下随着气孔率的增大而减小，但温度较高时，气相传导所占比例降低，辐射传热的作用增强，其导热系数并非随气孔率增加而降低。除气孔率的影响外，气孔尺寸也对隔热材料的传热产生重要的影响，相同气孔率条件下，材料内气孔形状、孔径大小及气孔连通率决定隔热材料的导热系数。通常隔热材料的孔径越小，其隔热效果越显著，主要体现在以下两个方面：孔径的降低导致气体分子的运动空间缩小，热流传递效率降低；另一方面，孔径的减小增加了材料中气固界面，固体传导距离增大，从而降低了材料的导热系数。
在隔热材料的传热过程中，固相传导占隔热材料热传递的很大比例，因此，固相材料的材料性质对隔热材料隔热性能产生重要影响，选择导热系数与热容量小的材料可从源头上提高材料的隔热性能。文献表明，硅酸盐矿物的导热系数较低，而氧化物的导热系数大多高于非氧化物的导热系数。此外，从材料相组成分析，隔热材料中的固相主要由结晶相和玻璃相组成。随温度的升高，结晶相中原子或离子的自由程缩短，从而使导热系数下降；另一方面，玻璃相中的原子或离子进行无序排列，使得玻璃相的导热系数低于结晶相。温度上升，玻璃相的粘度减小，进而降低了质点运动的阻力，导致玻璃相的导热系数增大。
2、氧化铝隔热材料的研究现状
氧化铝隔热材料是氧化铝为主要原料，采用不同的成孔方式，然后对材料进行成型和烧成，其内部会留下大量闭合或相互连通的气孔。大量气孔的存在，使得其具有较低的导热系数，加之氧化铝本身具有的耐高温、抗腐蚀能力强和良好的化学稳定性，其在高温工业窑炉领域具有广阔的应用前景。氧化铝隔热材料可以根据制备时所使用氧化铝原料的不同分为以氧化铝粉料为主要原料制备的氧化铝隔热制品和利用氧化铝空心球为主要原料制备的氧化铝空心球制品。根据成孔方式的差异，氧化铝隔热材料的制备方法主要有添加造孔剂法、泡沫浇注法、化学反应法、凝胶注模法、冷冻干燥法和原位分解法等。
在保证炉衬结构强度和耐热度的前提下，为达到高温窑炉炉衬的高效隔热保温效果，应尽量降低材料导热系数以提高保温能力和减少蓄热和散热损失。而气孔作为隔热材料微结构的重要组成部分，其结构和分布对隔热材料性能影响*为显著。氧化铝隔热材料是一个复杂且非均匀的多相体系，其性能无法用其中某一相或多相的叠加行为来表征。结构决定性质，因此，孔结构的优化对氧化铝隔热材料性能的提高显得尤为重要。
总之，国内目前现有研究大多集中在研究氧化铝隔热材料的制备方法上，而对其孔结构进行调控优化性能的研究则较少。特别是，利用造孔剂的本征织构来调控氧化铝隔热材料的孔结构方面的研究鲜有报道。
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