六铝酸钙多孔材料的制备及其性能研究

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六铝酸钙(CA6)具有高耐火度,优异的化学稳定性,良好的抗热震性以及抗金属和金属渣侵蚀等特性,将其制成多孔材料可同时兼具CA6和多孔材料的特性。本文采用传统烧结法、熔盐造孔法和熔盐-炭黑复合造孔法制备了CA6多孔材料,研究了铝钙质原料种类、熔盐以及熔盐-炭黑复合加入对多孔材料物相组成、显微结构、常规性能和热导率等的影响,结果如下:(1)用第一性原理对CA6结构进行了能带与电子态密度计算,并对其本征弹性模量等力学性质进行了预测。CA6结构电子性质计算表明其化学性能稳定,具有稳定的半导体或绝缘体性能,力学性质计算表明CA6晶体具有良好的力学稳定性、抗体积变化和抗变形特征以及具有一定的拉伸弹性。(2)CA6多孔材料的性能和结构与铝钙质原料种类密切相关,研究了不同铝钙质原料对CA6多孔材料的影响,结果表明,以工业Ca CO3为钙源,以α-Al2O3微粉(CA)与工业Al2O3粉(CGA)为铝源的试样经1400℃烧后主物相为CA6,而以γ-Al OOH(CAO)为铝源的试样中主物相为CA2和刚玉,经1500℃烧后各试样主物相均为CA6。1500℃烧后CA与CGA试样中CA6形貌为片状结构,CAO试样中CA6片状结构尺寸较小,同时有CA6颗粒。烧后CGA与CAO试样出现收缩,CGA试样的显气孔率最高,耐压强度最低,CA试样烧后出现膨胀,气孔率最低,强度最高。与以Ca CO3为钙源相比,以Ca(OH)2为钙源的试样物相组成演变规律、气孔率和强度变化基本相同;1500℃时,CA试样的显气孔率与耐压强度高于CHA(Ca(OH)2/α-Al2O3)试样,CGA试样的显气孔率与耐压强度小于CHGA(Ca(OH)2/工业Al2O3)试样,CHAO(Ca(OH)2/γ-Al OOH)试样的显气孔率大于CAO试样,耐压强度低于CAO试样。(3)分别以工业Ca CO3和分析纯Ca(OH)2为钙源,α-Al2O3微粉、工业Al2O3粉以及γ-Al OOH粉为铝源,采用熔盐(KCl)造孔法制备了CA6多孔材料。结果表明,KCl高温下的液相环境增加了Ca2+/Al2O3接触面积,提高了Ca2+向Al2O3中的扩散速率,其的加入能够调控CA6多孔材料显微结构、孔径分布、常规物理性能及热导率;在烧成温度为1500℃、铝钙质原料与KCl的质量比为4:2时制备的CA6多孔材料性能较佳(CAK-2试样的气孔率为67.80%、强度为21.65 MPa、热导率为0.784 W·m-1·K-1);同时引入分形维数对孔隙进行了分析,并拟合了分形维数、显气孔率以及耐压强度三者之间的关系,如Ca CO3/α-Al2O3+KCl(CAK)系列Y=-386.223+4.70917X1+363.252X2-4.58187X1×X2(R~2=0.997)(X1:显气孔率;X2:分形维数;Y:耐压强度)。(4)以铝钙质原料:KCl=4:1试样为基础,采用熔盐-炭黑复合造孔法制备了CA6多孔材料,结果表明,炭黑的加入能够调控CA6多孔材料显微结构、孔径分布、常规物理性能及热导率;在烧成温度为1500℃、KCl:C=4:2时制备的CA6多孔材料性能较佳(CHAKC-2试样的显气孔率为64.84%、强度为18.51 M Pa、1000℃时热导率为0.610 W·m-1·K-1);用分形维数对孔隙进行了分析,拟合得出了分形维数、显气孔率以及耐压强度之间的关系为Ca CO3/α-Al2O3+KCl-C(CAKC)系列Y=-393.78+31.9696X1-864.519X2-27.8451X1×X2+0.0739X1~2+901.703X2~2(R~2=0.985)。
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