有序孔结构多孔陶瓷的制备及其性能研究

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高速飞行器或高温反应炉等领域的发展迫切需要耐高温、低热导率且具有一定力学强度的隔热材料,其中多孔陶瓷既具有传统陶瓷耐高温高压、抗热震性好、耐腐蚀等优良特性外,又具有轻质、低热导率、高比表面积、高渗透性等特点,在隔热保温领域有着广泛应用。多孔陶瓷中的孔结构与性能有着紧密联系,不同的制备工艺可以获得不同的微观结构。本文通过FLUENT软件模拟计算发现,具有有序孔结构的多孔陶瓷在确定方向上具有极低的有效热导率,材料的有效热导率与固相热导率和孔隙率有关,且有序排列孔结构可增强孔方向的力学强度。本文利用细菌纤维素的独特纤维结构获得低固含量的高度稳定陶瓷浆料。采用冷冻干燥法制备出具有有序孔结构的莫来石基、钙长石基和氧化铝/钙长石复相多孔陶瓷,通过阿基米德排水法、扫描电子显微镜和Hot Disk热常数分析仪等测试方法分析样品的孔隙率、显微结构、热导率等。分别探究固含量、冷冻温度对孔隙率、热导率、抗压强度的影响。实验结果表明,改变固含量和冷冻温度可制备出孔隙率为67.6%至91.1%的莫来石基有序孔结构多孔陶瓷,其抗压强度最高达8.06MPa,在孔隙率为91.1%时获得最低热导率为0.0867W/m·K,在烧结过程中原位生成长径比约为20的莫来石晶须,使高孔隙率的多孔陶瓷具有较好的力学性能;以Al2O3,Si O2和Ca CO3为原料,通过相同工艺路线可获得孔隙率在75.1%到90.5%之间的钙长石基有序孔结构多孔陶瓷,孔隙率为75.1%时仍保持0.1475 W/m·K的低热导率;以高岭土和Al(OH)3、Ca(OH)2为原料制备氧化铝/钙长石复相有序孔结构多孔陶瓷,热导率最低为0.0349W/m·K,抗压强度达到7.14MPa时热导率仍能保持在0.0900W/m·K。
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