SiO2纳米孔绝热材料的基础研究及其制备和应用

摘要

SiO2纳米孔绝热材料具备极佳的绝热性能，是目前高性能绝热材料领域的研究热点之一，其主要包括SiO2气凝胶基绝热材料和SiO2纳米粉末基绝热材料。
　　针对前者的研究，本文首先采用溶胶-凝胶法结合共沸蒸馏干燥工艺制备了SiO2干凝胶，研究了共沸蒸馏工艺对凝胶多孔网络结构形成的影响，分析了其在煅烧过程中物相和微观孔结构的变化，探讨了SiO2干凝胶取代气凝胶制备绝热材料的可行性，为SiO2气凝胶基绝热材料的常压干燥制备奠定了一定的基础。
　　针对后者的研究，本文通过对比微硅粉、沉淀SiO2和气相SiO2三种粉体的热性能及其在煅烧过程中化学键和晶相的变化，考察三种粉末基绝热材料的绝热性能以及三种粉末压实体的孔结构参数和微观组织结构，明确了气相SiO2为制备SiO2纳米粉末基绝热材料的最佳基体材料。随后，本文重点对气相SiO2基纳米孔绝热材料进行了相关研究，考察了气相SiO2纳米粉末压实体在压缩过程、热处理过程以及掺杂过程中微观结构尤其是孔结构的演变行为，研究了增强纤维、红外遮光剂、抑烧剂对其绝热性能、机械性能和热稳定性能的影响，探讨了其作用机理。最后，以所制备的气相SiO2基纳米孔绝热材料作为绝热层，应用有限元分析方法，通过对中间包温度场的模拟研究，分析了该绝热层对中间包钢液温度及包衬传热的影响。
　　通过以上各方面的研究，获得的主要研究结果如下：
　　(1)通过溶胶-凝胶法结合共沸蒸馏干燥工艺制备了SiO2干凝胶，其颗粒表面羟基已被正丁醇的丁氧基取代生成了Si-OC4H9，完成了颗粒表面疏水改性和凝胶中溶剂替换过程。随着煅烧温度的升高，制备的SiO2干凝胶直至1000℃仍保持非晶态状态，但其颗粒间的粘性烧结将导致比表面积和孔体积急剧降低。经过300℃煅烧后，SiO2干凝胶的比表面积为924.62m2·g-1，孔体积为0.754cm3·g-1，平均孔径约为4nm，孔径主要分布在10nm以下并少量分布在100～160nm之间，孔隙中微孔和大孔数量偏多，介孔数量偏少，孔均匀程度较差，其在取代气凝胶作为基体材料方面还存在一定的差距。
　　(2)相比于微硅粉和沉淀SiO2粉体，气相SiO2粉体具有更优异的热稳定性，当加热至1000℃时，其仍呈非结晶状态，且不会产生由于晶型转变引起的体积变化。同时，由于其压实体具备更明显的纳米孔吸附特性及丰富的纳米孔显微结构，以其为基体材料所制备的绝热材料的导热系数明显低于前两者。因此，气相SiO2粉体为制备SiO2纳米粉末基绝热材料的最佳硅源粉体。
　　(3)气相SiO2压实体在压缩过程中，其内部聚集体间的形貌并没有发生明显变化，其氮气吸附-脱附等温线在相对压力较低范围内尤其是小于0.16以下均几乎没有变化。随着成型压力的提高，氮气吸附-脱附等温线在高相对压力处的滞后回环明显增强，氮气吸附有效孔隙率显著增大。在压缩过程中，压实体的比表面积基本保持稳定，而氮气吸附总孔体积先稳定升高再降低最后与压实体内部空体积相等，当成型压力达到80MPa时，试样出现氮气吸附饱和现象。
　　(4)气相SiO2压实体在热处理过程中，热驱动力直接作用在相邻的原始颗粒表面产生传质现象，导致压实体比表面积及氮气吸附总孔体积显著下降。随着热处理程度的加剧，压实体内部将会发生过渡性的孔隙重排现象，孔隙向小尺寸方向发展且分布逐渐变窄，单个聚集体内部原始颗粒粘结长大，相邻的聚集体烧结融合形成了新的较大的聚集体。
　　(5)掺杂微米级的红外遮光剂和增强纤维都将破坏基体材料中局部的纳米孔结构，导致掺杂后的气相SiO2纳米粉末压实体在相对压力范围内的吸附氮气能力有所下降，但后者的掺杂会使气相SiO2吸附在其表面形成层结构，能够引起高相对压力处氮气吸附能力的增强。添加气相Al2O3抑烧剂则会增加基体材料吸附氮气的有效孔隙率，使掺杂试样在高相对压力处呈现强烈的毛细凝聚现象。
　　(6)当成型压力为2MPa时，可以获得导热系数较低且抗折强度较高的气相SiO2基纳米孔绝热材料。当添加质量分数20％的中位粒径为3.029μm的W3.5型SiC作为红外遮光剂时，试样在热面温度1000℃时的导热系数仅为0.023W/(m·K)。通过机械融合方式混料，气相SiO2纳米颗粒可以与单根纤维吸附结合形成最大厚度约为4μm的纳米颗粒改性包覆层，相比于采用普通混料方式制备的绝热材料，这种结构可使材料的导热系数降低幅度达50％。添加质量分数10％的气相Al2O3即可显著提高材料在高温下的体积稳定性，在900℃和1000℃时的体积收缩率分别仅为0.3％和1.1％。
　　(7)以所制备的气相SiO2基纳米孔绝热材料为绝热层可有效提高中间包的保温效果，经过3600s后，与无绝热层的中间包和以一般绝热材料为绝热层的中间包相比，其钢水温降分别减少了5.2℃和3.9℃，钢壳冷面温度分别下降了353℃和262℃。当绝热层厚度为5mm时，绝热层热面温度仅为1096℃，但加大绝热层厚度或将绝热层位置放置于永久层与工作层之间则对提高保温效果不明显。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 绝热材料概述

1．2．1 绝热材料定义与分类

1．2．2 绝热材料的主要性能特点

1．2．3 传热的三种基本方式

1．2．4 绝热材料的结构类型及其绝热机理

1．2．5 绝热材料性能的影响因素

1．2．6 绝热材料的研究和应用现状

1．2．7 绝热材料的发展趋势

1．3 纳米孔绝热材料概述

1．3．1 超级绝热材料的概念及种类

1．3．2 真空绝热板简介

1．3．3 纳米孔绝热材料的概念及特征

1．3．4 纳米孔绝热材料的绝热原理

1．3．5 纳米孔绝热材料的绝热性能

1．4 SiO2纳米孔绝热材料的研究现状

1．4．1 SiO2气凝胶制备纳米孔绝热材料的研究现状

1．4．2 气相SiO2纳米粉体制备纳米孔绝热材料的研究现状

1．4．3 SiO2纳米孔绝热材料的应用

1．5 本文的研究目的及主要研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 本文主要研究内容

第2章 气凝胶基绝热材料中基体材料的制备

2．1 引言

2．2 实验过程

2．1．1 SiO2干凝胶制备实验参数的确定

2．1．2 实验原料及仪器

2．1．3 试样制备

2．1．4 性能检测

2．2 结果与讨论

2．2．1 热性能分析

2．2．2 红外吸收光谱分析

2．2．3 X射线衍射分析

2．2．4 微观组织结构分析

2．2．5 比表面积和孔结构分析

2．3 本章小结

第3章 SiO2纳米粉末及其压实体的性能分析

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 实验原料

3．2．2 试样制备

3．2．3 性能检测

3．3 结果与讨论

3．3．1 热性能分析

3．3．2 红外吸收光谱分析

3．3．3 X射线衍射分析

3．3．4 绝热性能分析

3．3．5 比表面积和孔结构分析

3．3．6 微观组织结构分析

3．4 本章小结

第4章 气相SiO2纳米粉末压实体微观结构的演变行为

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 实验原料

4．2．2 试样制备

4．2．3 性能检测

4．3 气相SiO2纳米粉末压实体微观结构的演变行为

4．3．1 压实体在压缩过程中微观结构的演变行为

4．3．2 压实体在热处理过程中微观结构的演变行为

4．3．3 压实体在压缩过程和热处理过程中微观结构演变行为的比较

4．4 掺杂过程对气相SiO2纳米粉末压实体微观结构的影响

4．4．1 红外遮光剂微粉对压实体微观结构的影响

4．4．2 增强纤维对压实体微观结构的影响

4．4．3 抑烧剂对压实体微观结构的影响

4．5 本章小结

第5章 气相SiO2基纳米孔绝热材料性能研究

5．1 引言

5．2 实验过程

5．2．1 实验原料

5．2．2 试样制备

5．2．3 性能检测

5．3 结果与讨论

5．3．1 成型压力对绝热性能和抗折强度的影响

5．3．2 红外遮光剂微粉对绝热性能的影响

5．3．3 增强纤维对绝热性能的影响

5．3．4 高温抑制烧结剂对高温热稳定性的影响

5．4 本章小结

第6章 气相SiO2基纳米孔绝热材料在中间包的应用

6．1 引言

6．2 模拟方法

6．2．1 分析方法

6．2．2 应用软件

6．3 中间包温度场的数学模拟

6．3．1 中间包原型

6．3．2 热量损失分析

6．3．3 模型的化简

6．3．4 控制方程

6．3．5 边界条件及初始条件

6．3．6 模拟结果及分析

6．4 本章小结

第7章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢

作者简介

论文包含图表公式及文献