纖維和遮光劑對納米孔粉體隔熱材料性能的影響

杜浩然,邢益強,李 祥,陳凱陽,王世界,馬成良

(鄭州大學材料科學與工程學院，河南省高溫功能材料重點實驗室，鄭州 450052)

0 引 言

在“雙碳”目標引領下，為了實現節能減排，有效降低碳排放量，高溫窯爐中高效隔熱材料的研發迫在眉睫[1]。目前我國主要使用的隔熱材料為黏土、高鋁、莫來石等各類材質的輕質隔熱磚及耐火纖維等傳統隔熱材料[2-3]，其導熱系數隨著溫度升高快速增大，隔熱性能不佳，無法有效提升窯爐熱效率[4]。因此，研究開發新型高效隔熱材料，對提高高溫工業熱工設備熱效率，降低散熱損失，具有重要的現實意義。

納米孔粉體隔熱材料具有優異隔熱性能，它具有高氣孔率(>75%)、納米級氣孔尺寸(<100 nm)、較低的體積密度(<0.3 g/cm3)和極低的導熱系數，被應用于航空航天、冶金、化工等領域[5-9]。目前對納米孔粉體隔熱材料的研究主要集中在氣凝膠和納米孔粉體隔熱材料[10-12]。其中，氣凝膠隔熱材料雖然具有優異的隔熱性能，但是其制備工藝復雜，產量較低，制備大尺寸試樣較為困難，且該材料耐高溫上限低，一般用于制冷或低溫時的隔熱保溫[13]。納米孔粉體隔熱材料主要是由氣相SiO2、增強纖維和遮光劑組成，通過干法成型制備出具有納米孔的隔熱材料[14]，制備工藝簡便，可用于高溫隔熱。Park等[15]采用機械融合設備將氣相SiO2粉體、玻璃纖維和SiC等原料進行機械混合，在0.1～1.5 MPa下經干法成型制備多孔纖維/氣相SiO2板，其在室溫下的斷裂強度為1.58 MPa，400 ℃下的導熱系數為0.028 W/(m·K)。Feng等[16]使用干法成型制備了以氣相二氧化硅為主體的隔熱復合材料，在100 ℃時導熱系數低至0.020 5 W/(m·K)，但在500 ℃時導熱系數達到0.119 W/(m·K)，通過模型計算，在500 ℃時，輻射熱導率達到0.101 W/(m·K)，約占總熱導率的93.3%。因此，降低高溫輻射導熱率對納米孔粉體隔熱材料的高溫隔熱性能的進一步提高至關重要。

本文分別選取了石英纖維和多晶莫來石纖維作為增強纖維，納米SiC和鋯英石微粉作為遮光劑，研究了添加不同種類和不同含量的纖維及遮光劑對納米孔粉體隔熱材料性能的影響，通過SEM、EDS和FTIR對試樣的微觀結構和紅外透射率進行了分析表征，考察了遮光劑對高溫輻射熱導率的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

圖1 納米孔粉體的孔徑分布Fig.1 Pore size distribution of nanoporous powder

本試驗使用的納米孔復合粉體為實驗室采用氣相法自制，m(SiO2) ∶m(Al2O3)=3 ∶1，D50=0.5 μm。復合粉體孔徑分布如圖1所示。增強纖維為多晶莫來石纖維和石英纖維，分別來自浙江省德清縣宸業晶體纖維有限公司和河南省神玖天航新材料股份有限公司。遮光劑為納米SiC和鋯英石，分別來自河北省弋貴焊接材料有限公司和法國圣戈班集團。

1.2 試樣制備

納米孔粉體隔熱材料采用干法制備工藝。按……