在传统能源日益枯竭,而新能源发展缓慢的今天,开发轻质、高强、热震稳定性好、耐高温的隔热保温材料是当前最迫切的任务之一。钛酸铝是一种集低热膨胀耐高温于一体的优质材料,但其强度低和热稳定性差两个致命弱点限制了它的应用。空心球结构具有孔隙率大、密度小、强度高、隔热性能好等优点,是制备高性能隔热材料的理想结构。因此,对钛酸铝材料进行改性,提高其稳定性和强度,并将其制成空心球结构的隔热保温材料对节能具有非常重要的意义。 本论文通过固相法制备了钛酸铝粉体,探讨了莫来石和铝矾土等外加剂对钛酸铝材料性能的影响,用Fluent软件对空心球内的流动与换热进行模拟计算,确定合适的空心球球径和空心球的配比,然后采用滚球法将复合材料滚制成不同孔径的空心球,烧制成空心球隔热砖,利用XRD、SEM、导热系数测试仪、热膨胀系数测试仪和万能材料试验机等测试手段对材料的结构和性能进行了较为深入和系统的研究。 制备钛酸铝-莫来石复相陶瓷(ATM),探讨莫来石抑制钛酸铝分解和提高强度的机制,研究了莫来石对钛酸铝材料导热系数,抗压强度和热稳定性的影响。结果表明：随着莫来石量的增加,ATM材料的导热系数先变小再增大。ATM材料的强度随着莫来石量的增加呈现上升的趋势,研究发现莫来石加入量在20-30％之间,ATM材料抗压强度增加最显著。莫来石的加入量以30％为宜,加入量过多会使复合材料的热膨胀系数增加,从而失去很好的热震稳定性。微观结构分析表明莫来石抑制钛酸铝热分解的机制主要是形成固溶化的钛酸铝,降低晶格畸变系数,稳定钛酸铝晶格,并且因热膨胀差异造成莫来石晶粒对钛酸铝晶体的压应力,起到束缚八面体空隙的Al3+、Ti4+离子,增强抑制晶格受热畸变的作用。 在ATM复合材料的基础配方上,通过外加高强的铝矾土、镁铝尖晶石、刚玉进行增强,考察了外加剂种类和用量对复合材料性能的影响。结果表明,铝矾土在提高强度和降低导热系数的方面效果明显。外加10％的铝矾土会使复合材料的强度从7.8MPa提高至12MPa,而导热系数则由0.32 W/m.K降至0.27W/m.K。这主要是由于铝矾土高温反应后生成莫来石时,产生的玻璃相冷却后填充于ATM骨架的空隙间,有利于提高制品的致密性和复合材料的强度,而莫来石复杂的结构和玻璃相的存在使得热导率降低。外加剂的加入会引起复合材料热震稳定性的下降。 建立封闭腔内自然对流换热的控制方程,用Fluent软件对单个空心球和空心球结构隔热砖进行传热和流体流动的数值模拟研究。随着气孔直径的增大,单个球形空腔的自然对流由层流向紊流过渡,在上下壁面温差为50K,壁厚为1mm的模拟条件下,层流向紊流转折的空腔直径大约在3-4mm左右。空心球多孔砖导热系数的数值模拟结果表明,空腔直径超过层流向紊流转折界限,导热系数较大,但空心球直径越小,空心球砖内部显气孔率的降低以及固体组分的增多,也会提高导热系数。在模拟条件下,空心球的空腔直径为2-3mm的多孔砖,腔内气体流动相对稳定,对流换热情况较弱,导热系数较小,热阻较大。采用滚球法工艺制备了空心球多孔砖,研究粘结剂的种类和用量、填充细粉的种类和用量、空心球大小配比和烧成制度对空心球砖性能的影响。结果表明：结果表明：选用等径空心球及5％的A12(SO4)3和PVA复合粘结剂,其抗压强度能达到5.6 MPa。随着细粉中外加剂含量的增大,抗压强度增加而导热系数减小,其中外加铝矾土的影响最为明显。合理的级配有利于大气孔和连续气孔的减少,提高抗压强度。在本研究的实验条件下,大球(直径为3mm)：中球(直径为2mm)：小球(直径为1mm)的质量配比为(3～4):4:(3～2)是一个较理想的级配。随着烧成温度的提高和保温时间的延长,制品的显气孔率下降,体积密度和抗压强度增加,导热系数也有所上升。烧成温度在1500℃、保温60min时可获得导热系数为0.12 W/m.K,抗压强度达6.1MPa的空心球隔热砖。