利用页岩及固体废弃物制备高强度泡沫陶瓷及其机理研究

作     者：戚芳 

作者单位：景德镇陶瓷大学 

学位级别：硕士

导师姓名：江伟辉;梁健

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：泡沫陶瓷 固体废弃物 抗折强度 热导率 灰色系统理论 

摘      要：本文采用粉砂质页岩和固体废弃物为主要原料,碳化硅为发泡剂制备泡沫陶瓷。探究了配方组成及烧成制度对泡沫陶瓷性能的影响。利用XRF、DTA-TG、XRD、SEM、EDS、Micro-CT等手段对泡沫陶瓷进行了表征,并对样品的气孔率、体积密度、抗折强度和热导率进行了测试。利用分形维数和灰色系统理论研究了泡沫陶瓷孔结构参数和性能(抗折强度和热导率)的相关性。本文以粉砂质页岩、粉煤灰、钢渣为主要原料,碳化硅为发泡剂,制备了泡沫陶瓷。通过引入菱镁矿,促进样品中生成透辉石晶相,有效提高了样品的抗折强度。采用灰色系统理论研究了不同菱镁矿用量下泡沫陶瓷的孔结构参数与抗折强度的相关性。结果表明:当加入粉砂质页岩83.33 wt.%,粉煤灰8.33 wt.%,钢渣8.33 wt.%,外加菱镁矿为5 wt.%,外加碳化硅为0.2 wt.%时,样品的综合性能最佳,其总气孔率为64.11%,闭口气孔率为60.55%,体积密度为0.918 g/cm,抗折强度为10.02 MPa,热导率为0.133 W/(m·K)。不同菱镁矿用量样品的孔结构参数与抗折强度的关联度由大到小顺序为:总气孔率、分形维数、闭口气孔率、平均孔径、大于0.8 mm的孔径分布比例、小于0.4 mm的孔径分布比例、0.4～0.8 mm的孔径分布比例。为进一步降低泡沫陶瓷的热导率,本文通过调整发泡剂用量和优化烧成制度有效改善泡沫陶瓷的孔结构,制备了热导率为0.081 W/(m·K)的泡沫陶瓷,并采用灰色系统理论研究了不同保温时间下泡沫陶瓷的孔结构参数与热导率的相关性。结果表明:当碳化硅的用量为0.3 wt.%,烧成温度为1160℃,保温时间为50 min时,样品的综合性能最佳,其总气孔率为75.07%,闭口气孔率为54.16%,体积密度为0.651 g/cm,抗折强度为4.75 MPa,热导率为0.081 W/(m·K)。不同保温时间下样品的孔结构参数与热导率的关联度由大到小顺序为:分形维数、总气孔率、闭口气孔率、0.8～1.6 mm的孔径分布比例、平均孔径、小于0.8 mm的孔径分布比例、大于1.6 mm的孔径分布比例。为制备兼具高强度和低热导率的泡沫陶瓷,本文通过引入高铝原料,采用红柱石替代粉煤灰,并引入锂辉石作为助熔剂,探究了高铝原料对泡沫陶瓷性能的影响。结果表明:当加入粉砂质页岩69.24 wt.%,红柱石16.92 wt.%,钢渣8.46 wt.%,菱镁矿5.38 wt.%,外加锂辉石为2 wt.%,外加碳化硅为0.3 wt.%时,样品的综合性能最佳。其总气孔率为61.02%,闭口气孔率为55.30%,体积密度为0.944 g/cm,抗折强度为11.15 MPa,热导率为0.091 W/(m·K)。其主要晶相为钙长石、红柱石、透辉石。