能源的過(guò)度消耗現(xiàn)已成為高溫工業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)，為了推動(dòng)綠色低碳能源體系的建設(shè)，對(duì)各類(lèi)工業(yè)窯爐進(jìn)行保溫絕熱改造，提升其熱效率是當(dāng)前刻不容緩的任務(wù)。傳統(tǒng)的高溫窯爐能耗大的原因在于采用了重質(zhì)結(jié)構(gòu)而具有較大的熱慣性和熱容量，使得在窯爐運(yùn)作時(shí)的升降溫速率較低，需要更多的能量來(lái)加熱和冷卻，因此兼具輕質(zhì)、高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱、耐熱等性能的氧化鋁多孔陶瓷成為了輕型結(jié)構(gòu)高溫窯爐內(nèi)襯材料的優(yōu)選。

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氧化鋁多孔陶瓷為什么能夠隔熱？

眾所周知，氧化鋁的熱導(dǎo)率約20-30W/(m·K），是導(dǎo)熱填料主力大軍，被視為導(dǎo)熱界面材料的“退燒藥”。那為何具有出色導(dǎo)熱能力的氧化鋁搖身一變多孔材料，就能具備優(yōu)異的隔熱耐火性能呢？這其中的奧秘與以下幾個(gè)原因有關(guān)：

氧化鋁多孔陶瓷

來(lái)源：蘇州凱發(fā)新材料科技有限公司

一方面，同一材料在不同溫度下熱導(dǎo)率并不相同，隨著工業(yè)窯爐內(nèi)溫度的升高，氧化鋁的熱導(dǎo)率會(huì)不斷下降，1200℃下的熱導(dǎo)率大概只有400℃下的熱導(dǎo)率的一半左右。不過(guò)，氧化鋁的熱導(dǎo)率在常溫下有20-30W/(m·K），即使高溫窯爐內(nèi)達(dá)到1200℃，也能達(dá)到將近10W/(m·K）的熱導(dǎo)率，比很多材料的熱導(dǎo)率都要高。因此，多孔氧化鋁陶瓷具備的優(yōu)異隔熱耐火性能主要還是與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。

氧化鋁用作導(dǎo)熱陶瓷時(shí)，一般要求密度和純度較高，以減少原子或離子無(wú)序排列的玻璃相成分。而當(dāng)氧化鋁陶瓷做為隔熱材料時(shí)，其結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)就是多孔、低密度。這種多孔結(jié)構(gòu)，使得熱量從高溫面向低溫面?zhèn)鬟f時(shí)，在固相中傳熱為固相傳導(dǎo)，但在碰到氣孔以后，傳熱路線(xiàn)變?yōu)閮蓷l：一條是通過(guò)氣孔內(nèi)的氣體傳熱，主要有空氣對(duì)流傳熱、輻射傳熱以及氣體分子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的傳熱這三種方式；另一條路線(xiàn)則仍是固相傳遞，但其傳熱方向發(fā)生了變化，大大延長(zhǎng)了總的傳熱路線(xiàn)；因此氧化鋁多孔陶瓷在一定程度上既可以阻隔熱傳導(dǎo)，也能夠阻隔熱輻射，從而有效地起到隔熱保溫的作用。

氧化鋁隔熱材料的隔熱機(jī)理（來(lái)源：高溫節(jié)能保溫技術(shù)）

氧化鋁多孔陶瓷隔熱耐火性能如何提升？

用于高溫工業(yè)窯爐中的氧化鋁多孔陶瓷要提升隔熱耐火性能，主要從降低熱導(dǎo)率以及提升抗熱震性?xún)煞矫嫒胧帧?/span>

1、降低熱導(dǎo)率的措施

氧化鋁多孔陶瓷是由一個(gè)或多個(gè)固相和氣相組成的多相材料聚集體，而根據(jù)上述所說(shuō)的隔熱機(jī)理，不難看出其熱導(dǎo)率與孔結(jié)構(gòu)有著緊密的關(guān)系。因此降低氧化鋁多孔陶瓷熱導(dǎo)率的關(guān)鍵在于對(duì)孔隙率、孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控。

①孔隙率控制：由于空氣中傳遞的熱量遠(yuǎn)小于固相中傳遞熱量，其熱導(dǎo)率僅約為0.0245-0.0778W/(m·K)，因此對(duì)于整個(gè)材料傳導(dǎo)過(guò)程來(lái)說(shuō)，氣相所占的比例越大，其導(dǎo)熱系數(shù)越小，因此氧化鋁多孔陶瓷的氣孔率一般都控制在45%以上。但為了保證一定的機(jī)械性能，氧化鋁多孔陶瓷的孔隙率并不能一味增加。因此當(dāng)輕質(zhì)隔熱材料的氣孔率在一定程度上無(wú)法繼續(xù)提升時(shí)，其熱導(dǎo)率主要取決于材料內(nèi)部的氣孔尺寸及相互之間的連通情況。

②氣孔大小控制：在孔隙率不變的情況下，較小的氣孔在減小了空氣對(duì)流的幅度，降低了對(duì)流傳熱的效率的同時(shí)，也意味著氣孔數(shù)量的增加，較大的材料內(nèi)部氣孔壁表面積的總量增加了固體反射面，從而降低了幅射傳熱效率。因此，在保持材料氣孔率不變的情況下，減小氣孔尺寸會(huì)降低材料的熱導(dǎo)率。

③氣孔結(jié)構(gòu)控制：閉口氣孔與開(kāi)口氣孔在導(dǎo)熱系數(shù)方面也存在差異。由于閉口氣孔內(nèi)部的空氣與外界隔絕，形成了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的隔熱層，從而減少了熱量的傳遞，因此要在相同體積密度下降低氧化鋁多孔陶瓷的熱導(dǎo)率，也可通過(guò)提高其閉氣孔率。

雖然，氧化鋁多孔陶瓷的隔熱機(jī)理主要是利用了其多孔結(jié)構(gòu)引入了氣相成分，但在較高溫下，由固相傳導(dǎo)的熱量仍占70%。因此，除了對(duì)其孔隙率、孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控外，對(duì)固相成分進(jìn)行調(diào)控也十分重要。目前主要通過(guò)生成或直接添加熱導(dǎo)率較低的新相，如稀土化合物或玻璃相成分等。稀土氧化物中的氧離子和陰離子的相對(duì)原子質(zhì)量及尺寸相差較大，導(dǎo)致晶格散射大，而玻璃相具有近程有序的特點(diǎn)，聲子平均自由程小，從而使得熱導(dǎo)率降低；

2、提升抗熱震性的措施：

溫度的變化會(huì)使多孔陶瓷在快速降溫或快速升溫時(shí)發(fā)生斷裂，抗熱震性則是指材料承受溫度的驟冷、驟熱而不被破壞的能力。

由于脆性較大，氧化鋁多孔陶瓷在熱震時(shí)，溫度變化引起的熱應(yīng)力易導(dǎo)致試樣表面產(chǎn)生裂紋，裂紋會(huì)使得殘余強(qiáng)度下降。一般來(lái)說(shuō)，氧化鋁陶瓷經(jīng)300℃溫差單次熱震后的強(qiáng)度保持率僅約為22%。因而，阻止裂紋產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展對(duì)于提高多孔陶瓷抗熱震性十分關(guān)鍵。目前，除了需要保持適中的氣孔率，以兼顧材料良好的抗熱震性以及隔熱性能外，對(duì)于氧化鋁基陶瓷而言還可采用引入第二相的方式進(jìn)行增韌或添加低熱膨脹系數(shù)組元來(lái)降低陶瓷的熱膨脹系數(shù)，從而改善其抗熱震性能。目前常用的第二相材料包括氧化鋯、碳化硅、鈦酸鋁、堇青石等非金屬材料以及Cu、Ni、金屬間化合物等金屬材料，具有較低熱膨脹系數(shù)或負(fù)膨脹系數(shù)的組元?jiǎng)t包括堇青石、莫來(lái)石、紅柱石、鈦酸鋁、鋰霞石等。

不同ZrO2添加量下Al₂O₃抗熱震陶瓷的SEM圖片

含有10%堇青石的Al₂O₃抗熱震陶瓷的SEM圖片

小結(jié)

氧化鋁多孔陶瓷具有多孔、低密度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是一種優(yōu)異的輕質(zhì)隔熱材料。為了使其更好地應(yīng)用在在高溫工業(yè)中，可通過(guò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整精確控制氣孔的孔徑分布及尺寸，或引入第二相來(lái)進(jìn)一步提升其隔熱性能。而在抗熱震性能上，則需要采用引入增強(qiáng)相增韌、添加低熱膨脹系數(shù)組元等方式對(duì)其進(jìn)行增韌處理。

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