【摘 要】
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我国工业窑炉能耗巨大,平均热效率比发达国家低10-15%,节能减排迫在眉睫。红外辐射涂层涂覆于工业窑炉炉壁表面,可以强化窑炉内部的辐射传热,显著提高加热效率,已经显现出良好的节能潜力。然而,目前工业应用的红外辐射涂层基本以中低温(600℃-1100℃)为主,并且涂层会出现剥落和红外辐射性能衰减的现象,主要原因是红外辐射陶瓷粉体和粘结剂所应用的温度受到限制。因而,开发中高温(1100℃-1600℃)
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我国工业窑炉能耗巨大,平均热效率比发达国家低10-15%,节能减排迫在眉睫。红外辐射涂层涂覆于工业窑炉炉壁表面,可以强化窑炉内部的辐射传热,显著提高加热效率,已经显现出良好的节能潜力。然而,目前工业应用的红外辐射涂层基本以中低温(600℃-1100℃)为主,并且涂层会出现剥落和红外辐射性能衰减的现象,主要原因是红外辐射陶瓷粉体和粘结剂所应用的温度受到限制。因而,开发中高温(1100℃-1600℃)且长期保持高发射率的涂层对于工业窑炉节能具有重要意义。针对上述问题,本工作首次选用Mg Cr2O4为主要研究对象,研究了不同掺杂离子(Mn2+、Co2+、Cu2+)、掺杂浓度以及烧结温度对Mg Cr2O4材料红外辐射性能的影响。通过研究尖晶石的晶体结构、元素价态,氧空位和能带结构分析尖晶石材料红外辐射性能增强的机理。在此基础上,选择在近红外和中红外区具有高发射率的尖晶石粉体,添加合适的粘结体系制备红外辐射涂料,采用刷涂法涂覆在多晶莫来石纤维砖上,经过1200℃热处理后制备涂层,探讨粘结体系的组成对热震前后的显微结构和红外辐射性能的影响。最后,将尖晶石粉体和高温填料所制备的料浆涂覆在刚玉砖上,制备应用在1600℃的红外辐射涂层,研究涂层组成和添加隔离层对涂层形貌,元素分布以及红外辐射性能的影响。研究结果表明:(1)Mn2+、Co2+、Cu2+掺杂后的Mg Cr2O4材料中,Cu2+掺杂对Mg Cr2O4的红外辐射性能提升最大。实验结果和第一性原理计算结果均证实了掺杂Cu2+后的Mg Cr2O4禁带宽度减小和红外辐射性能的提高。发射率提高的原因是Mg1-xCuxCr2O4晶体中的部分Cu-O四面体断裂而产生氧空位,Cu2+可以吸引氧空位的剩余电子而形成Cu+,氧空位处的电子容易被激发到导带,从而降低禁带宽度导致发射率的提高。因此,提高烧结温度可以进一步增强缺氧型Mg1-xCuxCr2O4材料的红外辐射性能。1600℃烧结的Mg0.6Cu0.4Cr2O4材料的近红外吸收率和中红外发射率均在0.9以上;当材料测试温度为1600℃时,在1-3μm平均发射率仍高达0.86。(2)采用Cu离子掺杂镁铬尖晶石粉体、硅溶胶、广西白泥、硼硅酸盐玻璃粉和熔融石英为主要原料,最优的质量配比为10:5:4:3:3,在多晶莫来石纤维砖表面制备出涂层在20次1100℃水冷热震后未出现开裂和脱落现象,并且其近红外吸收率基本无衰减。涂层表面有较多的微孔和微裂纹的存在,会提高应变容忍能力,有效降低应力集中,从而提升涂层抗热震性。(3)采用Cu离子掺杂镁铬尖晶石粉体,添加Zr O2和Al2O3微粉作为高温填料,通过颗粒增韧的作用,使涂层结合致密;并在刚玉基底和尖晶石之间添加Zr O2隔绝层,阻隔了尖晶石中的Cr元素向刚玉基底扩散,从而防止涂层红外辐射性能的衰减;最终,在1600℃条件下制得的双层涂层具有一定结合强度,在0.8-2.5μm波段近红外吸收率为0.88。
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