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轻质耐火材料性能的优点均能作为其性能评价参数,如气孔率、孔型、孔径、比表面积等。指标又以气孔率为主,它显著影响轻质材料的力学、化学和物理等方面的性能。
01体积密度与气孔率
体积密度和气孔率是多孔陶瓷的重要表征参数,直接影响多孔陶瓷的各项性能指标。试样干燥重量与试样总体积之比,称为体积密度(g/cm3)。气孔率是孔隙所占的体积与总的体积比,包括总气孔率、显气孔率和闭气孔率。试样中全部气孔所占的体积与试样总体积的百分比称为总气孔率;试样中和大气相通的气孔占试样总体积的百分比称为显气孔率还叫开口气孔率;不与大气相接触的气孔的体积与试样体积的百分比叫闭气孔率。
根据国标(GB1966-1996),用煮沸法或真空排气法测定耐火制品开口气孔率与体积密度,其公式为
式中p是试样开口孔率,%;
Dv是试样体积密度,kg/m3;
m1是试样的干燥质量,kg;
m2是饱和试样在空气中的质量,kg;
m3是饱和试样在水中的质量,kg。
02孔径与孔径分布
多孔材料的孔径及其分布是其重要参数之一,决定着材料的透气度、渗透速率、滤过性等性能。常用的测试方法有显微法、气体吸附法、气泡法、压汞法等,近年又发展了核磁共振法、小角散射法、热孔计法等测试方法,下面简单介绍下压汞法。
压汞法利用毛细现象的原理,当液体对材料的润湿角大于90°时,表面张力会阻止液体浸入材料的孔隙中,这个时候只要对液体施加一定外压,液体即可在外压作用下浸入材料孔隙。通过测定外压的大小,即可得到外压值对应的孔的大小及分布情况。这种方法测得的孔径大小一般为几十纳米到几百微米。
由于汞对固体表面不浸润,因此利用压汞法测定多孔陶瓷的孔径时,根据外压与汞浸入材料孔隙的关系,如下所示:
其中,p为所施加外压大小;σ为汞的表面张力大小;α为汞对被测材料的浸润角大小;r是所测气孔半径大小。
03导热系数
材料的导热系数,是指在单位温度梯度下,单位时间内通过单位面积的热量,单位为W/(m•K)。导热系数又称为热导率,是评价多孔材料指标的重要参数之一,材料的气孔率的高低、物相组成、气孔的大小及气孔的形状与分布同导热系数有直接的关系。热量在x轴方向上h传递时,t时间内垂直通过x轴的截面积S上的热量为Q,则
其中,λ是导热系数,dxdT是温度梯度,S是面积,t是时间。
主要的传热方式有热传导、辐射与对流。热传导与对流均为声子热导,辐射为光子热导。耐火材料的导热系数由固相材料及其所包围的气相材料的导热系数共同决定,固相材料的导热系数与其晶体结构、显微结构和化学组成重要相关,固相传热主要通过热传导;而气相传导则包括气体热传导、对流以及辐射。
多孔陶瓷材料有着大量的气孔,其热导率与气相热传导重要相关。气孔中的气体一般都是空气,空气的导热系数很低,是材料绝热的根本。一般来说,气孔率越高,气体热传导作用就越大,材料的热导率就越低;闭口气孔比开气孔孔多的材料,其对流传热系数小,同时孔径越小,孔中气体热传导也越小,材料的热导率就越低。用激光技术研究了多孔氧化锆陶瓷中气孔与晶粒,测定其在室温下的导热系数表明,在孔径<10μm后,导热系数随孔径的减小迅速减小,当气孔尺寸在纳米级时材料具有极优良的保温性能。气体的辐射传热是由气体吸收与辐射的能力大小决定的,气孔中气体介质一般为空气,空气的吸收与发射辐射能力极低,此时传热是通过气孔高温壁向低温壁的辐射来传导的,辐射传热较弱。
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