海南制冷材料——氧化鋁隔熱材料的隔熱機理、影響因素及研究現狀

隔熱耐火材料是指對熱起屏蔽作用的一種材料，具有氣孔率較高、熱導率小和熱容量低等特點。隔熱耐火材料主要用於高溫環境下阻止熱量的散失或用於低溫環境條件下以隔絕熱量流入，因此，又稱之為保溫或保冷材料。但傳統的隔熱耐火材料表現出較差的抗侵蝕能力、強度和耐磨性，常用於工作面外層的保溫層。隔熱耐火材料的高效隔熱保溫效果對熱工窯爐的節能、產品質量和高效安全生產起著重要作用，因此，常被用作熱工窯爐的爐襯材料。而氧化鋁隔熱材料以其低導熱系數、高機械強度和高使用溫度的特點成為目前熱工窯爐爐襯材料的理想選擇之一，並引起了廣泛關註。

1、氧化鋁隔熱材料

氧化鋁隔熱材料是多孔材料的一種，其隔熱行為是一個比較復雜的過程。眾所周知，隔熱材料中包含有大量的孔隙，致使熱量在其中的傳遞主要是通過固相與氣相的傳熱。固相傳熱的方式主要為傳導，而熱量通過氣相傳遞相比固相傳熱要復雜得多。圖1是通過隔熱材料傳熱的簡單原理圖及詳細機理圖。當熱量H0由高溫區通過隔熱材料向低溫區傳遞時，在未觸及氣孔前，傳熱過程是在固相中進行的，即通過固相的傳導(方式a);熱量遇到氣孔後，其傳輸路線就會被拆分為兩條：一條仍通過固相傳導，而另一條則通過氣孔傳熱，通過氣孔的傳熱主要有空氣對流傳熱(方式b)、輻射傳熱(方式c)以及氣體分子的運動導致的傳熱(方式d)，其傳熱量分別是H1、H2、H3。

對流傳熱則是利用隔熱材料中空氣的對流運動使熱量產生一定的位移，達到熱量傳遞的目的。由於大多隔熱材料中氣孔相對較小，氣孔中空氣的流動受到阻礙，從而導致隔熱材料中對流傳熱占比較小。氣相傳熱中，除了對流傳熱外還存在輻射傳熱，輻射傳熱隨著溫度升高所占比例增大。

導熱系數作為衡量材料隔熱性能的重要尺度，其大小反應了材料隔熱性能的優劣。隔熱材料是由氣相和固相組成的多相材料結合體，基於上述隔熱機理，影響導熱系數的因素主要有氣相含量和分布、材料的化學組成及結晶狀態等。

氧化鋁隔熱磚

隔熱材料中氣相的分布和含量對隔熱材料的傳熱有顯著影響。此外，氣相的導熱系數要低於固相的導熱系數，使得材料的導熱系數在低溫條件下隨著氣孔率的增大而減小，但溫度較高時，氣相傳導所占比例降低，輻射傳熱的作用增強，其導熱系數並非隨氣孔率增加而降低。除氣孔率的影響外，氣孔尺寸也對隔熱材料的傳熱產生重要的影響，相同氣孔率條件下，材料內氣孔形狀、孔徑大小及氣孔連通率決定隔熱材料的導熱系數。通常隔熱材料的孔徑越小，其隔熱效果越顯著，主要體現在以下兩個方面：孔徑的降低導致氣體分子的運動空間縮小，熱流傳遞效率降低；另一方面，孔徑的減小增加了材料中氣固界面，固體傳導距離增大，從而降低了材料的導熱系數。

在隔熱材料的傳熱過程中，固相傳導占隔熱材料熱傳遞的很大比例，因此，固相材料的材料性質對隔熱材料隔熱性能產生重要影響，選擇導熱系數與熱容量小的材料可從源頭上提高材料的隔熱性能。文獻表明，矽酸鹽礦物的導熱系數較低，而氧化物的導熱系數大多高於非氧化物的導熱系數。此外，從材料相組成分析，隔熱材料中的固相主要由結晶相和玻璃相組成。隨溫度的升高，結晶相中原子或離子的自由程縮短，從而使導熱系數下降；另一方面，玻璃相中的原子或離子進行無序排列，使得玻璃相的導熱系數低於結晶相。溫度上升，玻璃相的粘度減小，進而降低了質點運動的阻力，導致玻璃相的導熱系數增大。

2、氧化鋁隔熱材料的研究現狀

氧化鋁隔熱材料是氧化鋁為主要原料，采用不同的成孔方式，然後對材料進行成型和燒成，其內部會留下大量閉合或相互連通的氣孔。大量氣孔的存在，使得其具有較低的導熱系數，加之氧化鋁本身具有的耐高溫、抗腐蝕能力強和良好的化學穩定性，其在高溫工業窯爐領域具有廣闊的應用前景。氧化鋁隔熱材料可以根據制備時所使用氧化鋁原料的不同分為以氧化鋁粉料為主要原料制備的氧化鋁隔熱制品和利用氧化鋁空心球為主要原料制備的氧化鋁空心球制品。根據成孔方式的差異，氧化鋁隔熱材料的制備方法主要有添加造孔劑法、泡沫澆註法、化學反應法、凝膠註模法、冷凍幹燥法和原位分解法等。

在保證爐襯結構強度和耐熱度的前提下，為達到高溫窯爐爐襯的高效隔熱保溫效果，應盡量降低材料導熱系數以提高保溫能力和減少蓄熱和散熱損失。而氣孔作為隔熱材料微結構的重要組成部分，其結構和分布對隔熱材料性能影響最為顯著。氧化鋁隔熱材料是一個復雜且非均勻的多相體系，其性能無法用其中某一相或多相的疊加行為來表征。結構決定性質，因此，孔結構的優化對氧化鋁隔熱材料性能的提高顯得尤為重要。

總之，國內目前現有研究大多集中在研究氧化鋁隔熱材料的制備方法上，而對其孔結構進行調控優化性能的研究則較少。特別是，利用造孔劑的本征織構來調控氧化鋁隔熱材料的孔結構方面的研究鮮有報道。

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