铝溶胶添加量对莫来石微球质隔热耐火材料性能的影响
发布日期： 2020-04-01 09:18:09 阅读量（508） 作者：张红铝溶胶是近年来耐火材料行业常用的结合剂之一，本节选用铝溶胶作为结合剂，研究铝溶胶添加量对莫来石微球质隔热耐火材料性能的影响，实验配方如表1所示。
表1配方组成
（铝溶胶）
选取μf-SiO2作为铝源，铝溶胶为硅源，保证其配比满足莫来石(3Al2O3·2SiO2)质量配比，同时加入5wt%活性α-Al2O3微粉，增加细粉的含量。其中铝溶胶的固含量为25%。按照配方配料后浇注成型(加水量为8%，搅拌时间约3min)，25℃养护24h，经110℃干燥24h，经1450℃×3h烧成处理，并对冷却后的试样进行性能检测。
1、常温物理性能
图1示出了铝溶胶含量对莫来石微球质隔热耐火材料烧后线变化率的影响。
图1铝溶胶含量对试样烧后线变化率的影响
从图1可知，当铝溶胶的添加量为6~8wt%时，随着铝溶胶加入量的增加，试样烧后线收缩率变化不明显，当铝溶胶的添加量增加至10wt%，试样由膨胀0.12%转变为收缩0.08%。这是由于当铝溶胶及μf-SiO2添加量较少时，铝溶胶在高温下转变为活性高的纳米氧化铝粒子，与μf-SiO2发生原位生成莫来石反应，产生体积膨胀。当铝溶胶的添加量增加到10wt%时，试样烧后由膨胀转为收缩，这是由于试样内部引入的细粉含量增多，高温下未发生原位莫来石化反应的微粉及杂质促进试样烧结，导致试样收缩，但是整体收缩率较小，在隔热耐火材料烧后线收缩合理范围内。
图2示出了铝溶胶含量对试样体积密度和显气孔率的影响。从图2可知，当铝溶胶的添加量小于8wt%时，试样的体积密度随铝溶胶添加量的增大而略微增大，显气孔率随铝溶胶添加量的增加而略微减低，这与试样烧后线收缩率变化趋势相同，铝溶胶添加量为10wt%时，试样的体积密度为1.30g/cm3，显气孔率为55.9%。这是由于当铝溶胶添加量较少时，铝溶胶随着温度升高形成网状结构，均匀分布在骨料表面，与μf-SiO2反应形成结合相。当铝溶胶添加量大于10wt%时，试样的体积密度随铝溶胶添加量增加而急剧增大，显气孔率随铝溶胶添加量的增加而急剧降低，这是由于过多铝溶胶添加入试样中时，铝溶胶除了包覆于莫来石微球表面，还有大量处于骨料与骨料之间的孔隙中，降低显气孔率，同时铝溶胶高温下转换成纳米氧化铝粒子，拥有高活性，促进试样烧结，试样致密化程度更高。
图2铝溶胶含量对试样体积密度和显气孔率的影响
图3为铝溶胶含量对试样常温抗折强度和耐压强度的影响。
图3铝溶胶含量对试样常温抗折强度和抗压强度的影响
从图3中可知，当铝溶胶添加量小于10wt%时，试样的常温抗折强度和耐压强度均随铝溶胶添加量的增加急剧增大，当铝溶胶添加量为10wt%时，试样的常温抗折强度为2.7MPa，耐压强度为9.5MPa。这是由于铝溶胶在高温下转变为纳米氧化铝粒子，烧成过程中，化学反应更强烈，基质与骨料之间的结合程度更好所致。当铝溶胶添加量大于10wt%时，试样的常温抗折强度和耐压强度增幅略小，这是由于过多的铝溶胶的进入，使试样内部微粒增多，填充于骨料与骨料之间的孔隙中，提到试样的体积密度，同时提高试样的常温强度;同时在烧结过程中气孔聚集在一起形成大孔隙，使得试样常温抗折强度与耐压强度增幅减缓。
2、高温物理性能
图4示出了铝溶胶含量对1300℃下试样高温抗折强度的影响。
图4铝溶胶含量对试样高温抗折强度的影响
从图4可知，当铝溶胶添加量为6wt%时，试样在1300℃下抗折强度最小为0.9MPa，随着铝溶胶添加量的增多，试样的高温抗折强度显著提高。这是由于当铝溶胶添加量过少时，试样内部骨料之间结合相较少，试样的结合程度差，试样的高温抗折强度低;随着铝溶胶添加量大于8wt%时，铝溶胶在烧结过程形成纳米氧化铝网状结构，使莫来石微球之间的结合更加紧密，试样的结合程度显著提高，试样的高温抗折强度随之增大。当铝溶胶含量大于8wt%之后，试样的高温抗折强度增幅变小，这是由于试样内部活性高的细粉含量增多，烧结过程中气孔聚集在一起形成大孔隙，降低试样的高温抗折强度。
3、导热系数
图5为铝溶胶含量变化对300℃、600℃、900℃下试样的导热系数的影响。
图5铝溶胶含量对试样导热系数的影响
从图5可知，试样的随着温度的升高，所有试样的导热系数均呈现上升趋势，且导热系数随铝溶胶含量的增加而提高。900℃测试温度下，铝溶胶含量为4wt%时，试样的导热系数为0.206W/(m·K)，当铝溶胶含量增加到12wt%时，试样的导热系数为0.365W/(m·K)。产生这种现象的原因是试样的导热系数与显气孔率紧密联系，当铝溶胶添加量较小时，铝溶胶高温下转变为纳米氧化铝粒子，和μf-SiO2反应生成多孔莫来石结合相，形成大量的气孔，降低了热传导的速率，试样的导热系数较小;随着铝溶胶含量增大，试样的流动性增加，过多的细粉填充于孔隙之中，烧结过程在试样更加致密化，导热系数随之增大。
4、显微结构
图6示出了烧后试样的SEM图片，其中A1、A2、A3、A4分别表示铝溶胶添加量为6wt%、8wt%、10wt%、12wt%试样的显微结构。
图6铝溶胶含量对试样显微结构的影响
从图6可知，当铝溶胶添加量为6wt%时，试样内部基质含量较少，包覆在莫来石微球表面;随着铝溶胶添加量增加至8wt%时，试样内部可以明显看到基质聚集在骨料与骨料之间的孔隙内;当铝溶胶添加量为10wt%时，试样内部的基质开始气孔开始减少，并且小气孔逐渐开始汇集在一起形成大气孔;当铝溶胶添加量达到12wt%时，试样内部气孔基本以分布不均匀的大气孔为主，并且随着烧结过程的进行，大气孔已排出，使试样更加致密化，导致试样的导热系数增大。
图7 A3试样断面显微结构
图7为铝溶胶添加量为10wt%的A3试样的断面结构图。从4.21可知，试样内部莫来石微球之间结合疏松，气孔率高;右图放大300倍照片中可以看出尺寸5μm左右的莫来石晶体生成。与硅溶胶结合的试样相比较，晶粒生成量少，晶粒尺寸小，未能在莫来石微球之间形成良好的结合性能。
以铝溶胶作为结合剂时，当铝溶胶及μf-SiO2的添加量为10wt%时，试样的综合性能表现最佳，此时，试样的烧后线收缩率为0.08%，体积密度为1.30g/cm3，显气孔率为55.9%，常温抗折强度为2.7MPa，常温耐压强度为9.5MPa，高温抗折强度为1.3MPa，导热系数为0.272W/(m·K)。
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