材料應(yīng)該具有熱膨脹系數(shù)低、比熱容大、比表面積大、導(dǎo)熱性能好、抗熱震性好等特性。本文詳細(xì)介紹了幾種多孔陶瓷材料的優(yōu)缺點(diǎn), 指出堇青石質(zhì)復(fù)相材料是目前研究廣泛的蜂窩陶瓷材料。堇青石與多種催化劑匹配性好,比表面積大、熱膨脹系數(shù)小, 但耐熱性稍差, 于是通過(guò)添加一些添加劑來(lái)提高堇青石作為蜂窩陶瓷蓄熱體的性能。這些添加劑與堇青石結(jié)合形成復(fù)相材料, 可以降低熱膨脹系數(shù)、提高抗熱震性等。
20 世紀(jì)90 年代初期, 日本的NNK 公司聯(lián)合工業(yè)爐公司開(kāi)發(fā)出了可將煙氣余熱回用和NOx 燃燒集成于一體的蜂窩陶瓷蓄熱體。此舉將節(jié)能和融合, 實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量提高20%, 節(jié)能效果可達(dá)30%, 同時(shí)NOx 的排放量也大大低于當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。這使得蓄熱體從傳統(tǒng)的格子狀發(fā)展成蓄熱球, 再到現(xiàn)在研究廣泛效果也好的蜂窩體, 大增加了換熱性, 同時(shí)大大降低了污染排放。蓄熱體需要在長(zhǎng)期高溫的環(huán)境下工作, 對(duì)材質(zhì)的要求比較苛刻, 因此要求材料的抗熱震性要好, 熱膨脹系數(shù)要低, 導(dǎo)熱性要好, 比熱要高等。幾種常見(jiàn)蜂窩陶瓷蓄熱材料的性能見(jiàn)表1
1． 1 剛玉質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱材料
鋯鉻剛玉質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體, 該蓄熱體能在1 500 ℃以上使用, 燃料用量可以節(jié)約40% ~70%, 產(chǎn)量可以增加15%以上, NOx 排放量降至100 mg/ kg 以下, 還使得燃燒效率得到了明顯的提高[9] 。
1． 2 莫來(lái)石質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱材料
胡定軍等用莫來(lái)石為主原料, 在其中加入適量的紅柱石、藍(lán)晶石、硅線石等添加劑來(lái)以達(dá)到提高蜂窩陶瓷高溫機(jī)械性能的目的, 并且降低了成本[10] 。俞浩等人制備了一種鈦酸鋁- 莫來(lái)石蜂窩陶瓷材料, 其在1 000 ~ 1 350 ℃高溫下工作時(shí)的抗熱震性以及抗折強(qiáng)度都比莫來(lái)石材料的優(yōu)異, 適宜在凈化氣氛下工作[11] 。
1． 3 氧化鋁質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱材料
氧化鋁陶瓷耐磨、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)大、機(jī)械強(qiáng)度高, 因此作為蜂窩陶瓷材料一度受到很多關(guān)注。賈元平等人分析比較了國(guó)內(nèi)外氧化鋁多孔陶瓷材料的幾種不同的制備方法及應(yīng)用情況, 指出氧化鋁多孔陶瓷因其比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高也越來(lái)越多的受到重視。但是氧化鋁多孔陶瓷脆性大, 強(qiáng)度和孔隙率的關(guān)系也有待進(jìn)一步優(yōu)化[12] 。
1． 4 碳化硅質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱材料
碳化硅蜂窩陶瓷是近幾年才出現(xiàn)的一種新型陶瓷產(chǎn)物, 碳化硅作為主要原料制成蜂窩陶瓷體, 不常溫力學(xué)性能非常好, 高溫力學(xué)功能也非常優(yōu)異。但是碳化硅蜂窩陶瓷的斷裂韌性低, 脆性大, 因而近年來(lái)對(duì)于用碳化硅制備蜂窩陶瓷的研究多集中于在碳化硅中添加晶須或者纖維來(lái)增韌的復(fù)相陶瓷。
1． 5鈦酸鋁質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱材料
鈦酸鋁以其熔點(diǎn)高、耐磨損、抗熱震性好以及熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)勢(shì)得到了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。但鈦酸鋁在中溫區(qū)易部分分解產(chǎn)生微小裂紋, 導(dǎo)致強(qiáng)度降低, 因此對(duì)于鈦酸鋁的研究多集中于復(fù)相法上, 即在材料中加入剛玉、莫來(lái)石、碳化硅等來(lái)提高強(qiáng)度并分解。薛明俊、陳洪彬等人研究了莫來(lái)石的添加對(duì)鈦酸鋁熱分解的影響, 研究結(jié)果顯示, 在一定范圍內(nèi)莫來(lái)石添加量增加, 鈦酸鋁熱分解量減少。
近年來(lái)蜂窩陶瓷蓄熱體的研究熱點(diǎn)是提高其在高溫時(shí)的穩(wěn)定性, 如前述, 莫來(lái)石質(zhì)、氧化鋁質(zhì)、碳化硅質(zhì)、鈦酸鋁質(zhì)以及它們的復(fù)相蜂窩陶瓷均在機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、耐高溫性等方面有所提高。但是, 由于這些材料的熱膨脹系數(shù)與強(qiáng)度之間的關(guān)系仍然沒(méi)有得到高度優(yōu)化, 材料強(qiáng)度增加的同時(shí)熱膨脹系數(shù)也隨之增加, 因此在蓄熱體高溫工作狀態(tài)下, 其使用壽命受到的影響仍然很大。
1． 6 堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱材料
由于堇青石與多種催化劑匹配性好, 比表面積大、熱膨脹系數(shù)小以及抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)該。張華等人用粘土、滑石和氧化鋁制備了堇青石質(zhì)(2MgO·2Al2 O3 ·5SiO2 )蜂窩陶瓷, 該陶瓷具有熱膨脹系數(shù)低、氣孔率高的優(yōu)點(diǎn)[16] 。堇青石雖然有很多優(yōu)點(diǎn), 目前得到了廣泛關(guān)注, 但仍然存在缺點(diǎn), 即耐熱性稍差, 所以很多后續(xù)的研究都將重點(diǎn)集中了在堇青石中添加其他材料來(lái)提高堇青石性能方面。在堇青石中添加一些添加劑, 可以促進(jìn)堇青石燒結(jié)、降低熱膨脹系數(shù)、提高抗熱震性等, 通常的添加劑有硅線石、碳化硅、氧化鋯、氧化鍺、碳酸鋰以及氟化鈣等[17] , 添加后燒結(jié)形成硅線石- 堇青石、莫來(lái)石- 堇青石、鈦酸鋁- 堇青石、尖晶石- 堇青石等復(fù)相材料.
許永貴等[23] 按重量百分比為40% ~ 70% 的堇青石, 5% ~15%的硅線石, 10% ~20%的紅柱石和15% ~35% 的鋯英石的原料制備了蓄熱式陶瓷球和蜂窩體, 經(jīng)測(cè)試90% 的樣品抗熱震次數(shù)大于35 次, 為合格產(chǎn)品, 并且樣品性能優(yōu)于氧化鋁陶瓷球。山東理工大學(xué)的白佳海[24] 制備了碳化硅- 堇青石質(zhì)多孔陶瓷, 測(cè)試結(jié)果顯示, 碳化硅- 堇青石多孔陶瓷與碳化硅多孔陶瓷相比, 抗折強(qiáng)度顯著提高, 熱膨脹系數(shù)明顯降低, 但顯氣孔率有所降低。杜永娟等[25] 從調(diào)整合理的化學(xué)組成、添加不同量和種類(lèi)的添加劑、改善燒成工藝等幾個(gè)方面敘述了降低蜂窩狀堇青石陶瓷材料熱膨脹的途徑, 而且在上述幾種途徑均取得了有益效果。Agrawal D． K． 等[26] 用GeO2 來(lái)替代堇青石中的SiO2 , 研究了MgO·2Al2 O3 ·(5 - x)SiO2 ·xGeO2 的熱膨脹系數(shù)隨GeO2 加入量變化而變化的規(guī)律, 當(dāng)x≤1 時(shí)熱膨脹系數(shù)總體是降低的。吳皆正等[27] 在堇青石中引入氧化鋯來(lái)達(dá)到增韌和的目的。繆斌等[28] 將磷酸鹽、鋰鋁硅酸鹽引入堇青石來(lái)降低燒結(jié)溫度, 提高密度, 降低熱膨脹系數(shù)。
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