新型8YSZ轻质耐高温材料的制备与性能研究.docx
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新型8YSZ轻质耐高温材料的制备与性能研究
中国地质大学（北京）
材料科学与工程专业
生产实习报告（论文）
新型8YSZ轻质耐高温材料的
制备及性能研究
班级：
10030912班
学号：
1003091212
姓名：
何军礼
指导教师：
房明浩
提交时间：
2012年9月16日
新型8YSZ轻质耐高温材料的制备及性能研究
摘要
氧化锆陶瓷具有高熔点、耐腐蚀、耐磨损、低导热等特点，在功能材料和结构材料等领域中，引起了世界各国材料科学工作者的高度重视。
但是由于其相变特性使得氧化锆陶瓷的发展受到了限制。
所以人们在氧化锆陶瓷中掺加部分高弹性模量的化合物，例如氧化铝、碳化硅和Multlie等，从而改善材料的高温性能，制备出具有高强度高韧性的氧化锆基陶瓷复相材料。
本论文以YSZ--A12O3复相陶瓷作为研究对象，分别研究了YSZ--Al2O3复相陶瓷材料的制备。
关键词：
氧化锆、耐高温、陶瓷材料
ABSTRACT
Zirconiaceramicswerepaidgreatattentiontothematerialscientificworkersinthefieldofthefunctionmaterialandstructuralmaterialallovertheworld，fortheirexcellentProperties，suchashighmeltingPoint，corrosion--resistant，wear-resistingdecreasing，lowheatconduction.ButhedevelopmentofceramicswaslimitedbecausethePhasetransformationofzirconia.Sozirconiaceramicsweremixedwithsomehighmodulusofelasticilycompound，suchasAl2O3，SiC，Mullite，etc.Thus，thepropertiesofcompositesatelevatedtemperaturewereimprovedandzirconiamatrixceramiccompositeswihthhighstrengthandtoughnesswereprepared.Inthispaper，baseofYSZ--A12O3ceramiccomposites，studyonthepreparationofcompositematerial.
Keywords：
Zirconiaceramics；heat-resistingmaterial；ceramicsmaterial
目录
新型8YSZ轻质耐高温材料的制备及性能研究
摘要
ABSTRACT
1绪论1
1.1引言1
1.2耐高温材料1
1.2.1耐高温材料1
1.2.2轻质耐高温材料2
1.2.3轻质耐高温材料的定义及分类3
1.2.4轻质耐高温材料的特点及应用3
1.2.5轻质耐高温材料的制备方法4
2.实验内容4
2.1实验原理4
2.1.1添加造孔剂5
2.2实验步骤5
2.2.1新型8YSZ轻质耐高温材料的制备流程图5
2.2.2原料制备6
2.2.3实验过程6
3.实验数据分析及结论9
3.1YSZ小球数据9
3.2YSZ大球数据11
3.3YSZ级配数据14
4结论15
参考文献16
1绪论
1.1引言
随着经济的发展，能源的消耗与日俱增，如何合理利用和节约能源是人们普遍关注并迫切需要解决的问题。
航天飞行器和工程结构材料（如涡轮机叶片、喷气式引擎等）在恶劣的环境中需要特殊的材料给予保护。
这些保护层材料不仅要使被保护材料不受腐蚀、磨损和冲蚀,还要起到隔热的作用。
尤其是当这些保护层材料在作为防热结构时,要承受极端的高温、高压和热循环的环境。
目前,保护层主要用到的材料有:
Al2O3、TiO2、CaO/MgO+ZrO2、氧化钇稳定氧化锆（YSZ）、CeO2+YSZ、ZrO2、莫来石等。
其中,YSZ陶瓷材料因具有熔点高、硬度高、抗热震稳定性好、密度低、热导率低、线胀系数接近金属材料、强度和韧性高、耐化学腐蚀等优点而被广泛使用。
1.2耐高温材料
1.2.1耐高温材料
耐高温材料是冶金、化工等高温工业的基础材料，与各种高温行业的高温窑炉等工业设备有不可分割的密切关系。
目前，耐高温材料主要应用于钢铁、建筑材料、石油化学、有色金属等工业领域。
随着世界各国对于保护环境和节约煤炭、石油等不可再生能源的认识愈发成熟，节能成为政府和企业日益关注的重点问题。
为紧跟能源的开发利用与科学技术的发展步伐，科技工作者不断努力，致力于研究开发出各种高效、新型的节能隔热保温材料。
我国经济迅速发展和能源的需求增加，对解决能源短缺和环境保护等一系列问题提出了新的重要课题。
“十五”期间我国经济保持9%的增长速度，而一次性能源生产量增长率则只达到4%左右。
目前，除增加太阳能、地热能等新能源领域的开发外，解决能源短缺问题的最直接的一种重要途径就是节能，即最大限度地减少热能损失，提高热能的利用效率，减少能源在生产、使用过程中的浪费。
从各国能源利用率情况来看，日本的节能工作做得最好，然而其能源利用率也还不能达到60%，只有57%，美国则仅达到51%以上，欧洲共同体国家平均为42%左右。
而我国的能源利用率更是低至只有大约30%左右。
由此可见节能的空间非常巨大。
各种工业炉窑是工业生产活动中的主要耗能设备，每年工业窑炉所造成的能耗数量十分巨大，尤其在冶金、建材、陶瓷、玻璃、化工及机电企业中的热加工过程中，工业窑炉的能耗甚至可以占到其总能耗的40-70%。
然而各种工业窑炉的热损失一般都很大，在大多数情况下，它们的热效率都较低，能源利用率不到30%，目前，用于高温工业窑炉的隔热材料仍然采用黏土质轻质隔热材料，都存在节能效果较差、使用寿命短、制备过程能耗较高、环境污染较大和成本较高等问题。
因此，就如何提高节能效果，延长使用寿命、降低制备过程能耗，减少环境污染和降低生产成本已成为目前耐火材料工业迫切需要解决的技术难题。
目前应用于各种窑炉内衬的隔热材料主要有耐火纤维、Al2O3-SiO2系轻质耐高温材料以及氧化铝空心球砖等，其中耐高温纤维和Al2O3-SiO2系轻质耐火材料主要应用于中低温的工业窑炉环境，而1600℃以上的高温窑炉中大量使用的是氧化铝空心球砖。
氧化铝空心球砖的制造工艺过程需要经历三次能耗过程，第一次能耗是利用铝矾土矿物制备氧化铝的过程中所需能耗；第二次能耗是用工业氧化铝在电炉中熔炼吹制而制成氧化铝空心球所需能耗；第三次能耗是氧化铝空心球砖制品烧成过程所需能耗。
这三次能耗过程造成了大量的能源消耗，氧化铝及氧化铝空心球的价格较高，使氧化铝空心球砖的生产成本比较高。
另外，氧化铝空心球砖的密度较大，一般在1.5g/cm3左右，其蓄热能力较强，同时传热速率较快，散热损失较大，使其在使用过程增大了窑炉的热量损耗，造成了大量的热量浪费，增大了能源消耗。
因此，制备一种低能耗和低成本的轻质耐高温隔热保温材料就显得十分迫切。
1.2.2轻质耐高温材料
轻质耐高温材料，顾名思义，首先具有小体积密度的特点，对于某种或某几种材料来说，增加材料内气孔的分布，是获得低密度的有效途径。
由于大量气孔的存在，使其具有较低的导热系数，可以降低工业窑炉砖砌体的热能损耗，节省煤炭、石油或天然气等不可再生资源的消耗。
但由于轻质耐高温材料制品的气孔率大，其通常具有组织结构疏松、耐冲蚀磨损性能不佳的缺陷。
因此，轻质耐高温材料大多只能用于工业窑炉等热工设备的隔热层、内衬和保温层等部位，而一般并不直接用于与炉料直接接触的炉膛和承重较大的部位。
轻质耐高温材料，多以多孔耐火材料的形式存在，具有体积密度小、气孔率高、导热系数低等优点。
因此，轻质材料多被用作工业窑炉的隔热层或内衬，以节约燃料，减轻炉体重量和缩短窑炉加热时间，并使炉温保持均匀。
轻质耐高温材料是热工设备和阻挡热量损耗的必需材料。
随着工业的发展和科技的进步，大型、连续、高效率的先进设备的投产，使轻质耐火材料的发展向着使用温度高、低导热率、耐侵蚀性能好、高强度的目标发展。
随着全球范围内的能源日趋紧缺，轻质耐火材料在节能方面显得更加突出。
轻质耐高温材料的使用是工业窑炉节能降耗的重要因素之一（裴春秋，2007）。
工业窑炉砌体蓄热损失和炉体表面散热损失，一般约占燃料消耗的20%~45%。
用热导率低、热容量小的轻质砖做炉体结构材料，可节省燃料消耗，据国内外专家的计算和测试，采用轻质隔热耐高温材料砌筑窑炉，砌筑材料可节约1/1小1/9，热容降低1/10一l/H（王维邦，1996）。
同时，由于窑炉可以快速升温和冷却，能提高设备生产效率;还能减轻炉体重量，简化窑炉构造，提高产品质量，降低环境温度，改善劳动条件。
因此，高温隔热材料（轻质耐高温材料）于1928年在美国及西欧问世后，得到迅速的推广和使用。
目前使用温度在1350℃以上的隔热耐高温材料主要有莫来石和氧化铝质隔热砖，氧化铝空心球砖等。
但是，这些隔热砖都有一定的缺点，如莫来石隔热材料抗碱侵蚀性能差，不适合在碱性条件下使用，在还原性气氛中也不稳定，而氧化铝空心球成本太高，不适合普遍使用。
从工业炉节约能源的战略目标来看，研究和采用高效轻质耐高温隔热炉衬材料和优化炉衬结构、减少工业炉炉衬的蓄热损失及散热损失是节约能源的重要技术方向。
其中，工业窑炉炉衬用隔热材料的蓄热和散热损失一般占工业炉总能耗的20～45％，可见，选用高效的节能轻质耐高温绝热材料可以大大减少高温工业炉炉体的蓄热和散热损失，提高热效率。
研究发现：
特别是选用耐高温轻质隔热耐火材料替代传统的耐火砖做炉衬材料可以节约能源35％左右。
轻质耐高温隔热材料的导热性能是评价其性能的首要因素，在生产轻质耐高温材料时，在保证制品具有一定的化学和力学等性能的基础上，要尽量降低其导热系数。
导热性表示在能量传递过程中，热量从温度较高部分传至温度较低部分的数量，即在单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。
影响导热系数的因素有耐火材料制品的化学矿物组成，组织结构和工作温度。
制品的晶体组织结构越复杂导热系数越小。
制品的工作温度升高，其热阻增加，导热系数下降。
因此降低轻质耐火材料的导热系数可以节约炉窑的热损耗，对节约能源和提高热效率有着重要的意义。
高性能节能耐火材料的导热率只有传统耐火砖的1/6～1/3，重量为1/5～1/3，蓄热量仅为砖砌高温炉衬蓄热量的1/10-1/30，用做高温热工设备的炉衬隔热材料具有高效节能和提高热工设备工作效率的作用，这是国内外长期研究所得到的一致结论。
数的影响因素着手，即：
化学矿物组成、组织结构和工作温度。
提高制品中气孔的体积分数、改变孔道结构和寻找本征导热系数低及使用温度高的基质相都是有
效的降低轻质耐火材料的导热系数的技术途径。
1.2.3轻质耐高温材料的定义及分类
轻质耐高温材料是指气孔率高（一般45%一85%），体积密度低（不高于1.5g/cm3，），导热率低（≦1.0w.m-1.k-1）的耐高温材料（林宗寿，1998）。
轻质耐高温材料的分类:
（l）按体积密度可分为:
体积密度为0.4~1.3g/m3，的轻质耐高温材料;和低于0.4g/cm3的超轻质耐高温材料。
（2）按使用温度可分为:
使用温度在600~900℃的低温隔热材料;使用温度在900~1200℃的中温隔热材料;和超过1200℃的为高温隔热材料。
（3）按制品形状可分为:
定形轻质耐高温制品，包括粘土质、高铝质、硅质以及某些纯氧化物轻质砖等;以及不定性轻质耐高温材料，如轻质耐高温混凝土等。
（林宗寿，1998;钱之荣，1993）
1.2.4轻质耐高温材料的特点及应用
轻质耐高温材料的特点是具有多孔结构和高的隔热性。
其中，隔热性能取决于轻质耐高温材料主晶相与基质本身的热物理性能、颗粒大小及分布情况、气孔率、气孔率到校及分布情况。
轻质耐高温材料的缺点是气孔率较大，组织疏松，抗渣性能差，熔渣很快的侵入砖体气孔中，使之碎裂，不能用于直接接触熔渣和液态金属部位;力学强度低，耐磨性能差和热稳定性不好，不能用于承重结构，也不宜用于与炉料接触、磨损严重的部位。
由于轻质高温材料存在上述缺点，因此在工业窑炉中轻质耐高温材料一般不用于同炉料接触的炉膛部位、有炉渣以及流速大的热气流中和机械振动大的部位。
轻质耐高温材料多被用做窑炉的隔热层、内衬或保温层。
1.2.5轻质耐高温材料的制备方法
轻质材料的制备方法与致密材料不同，轻质材料的制备关键在于气孔的引入方法，并且各种制备方法都有各自的特点和使用范围。
轻质耐高温材料的生产方法通常为燃尽加入物法和气体法，以及多孔材料法。
气体法又可分为泡沫法和化学法。
（l）燃尽加入物法
也叫可燃物加入法。
采用锯木屑、泡沫塑料球等可燃物或可升华添加物引入气孔。
制品在三个方向上收缩各不相同，在干燥用烧成过程中易产生变形，需要经过整形（切割和磨光）方能使用。
该方法是轻质隔热材料的主要生产方法。
（2）泡沫法
泡沫剂（如送香皂等）发泡后于浆料共混，使泥浆产生气泡;并加入固定剂，稳定己形成的气泡（任国斌，1986）。
该方法操作简单、生产稳定。
其主要问题在于半成品的干燥复杂，生产周期长，成本较高。
通常用于生产常规通用轻质隔热材料。
（3）化学法
利用化学反应产生气体引入孔隙。
如在泥浆中加入碳酸盐和酸、苛性碱和铝或金属和酸等（任国斌，1986）。
该方法生产的制品使用温度低（1200℃），抗渣性差，只能用于不与火焰接触的夹层中，生产周期长，成本较高，因此，在生产中极少使用。
（4）多孔材料法
利用天然轻质原料（如天然的硅藻土（王维邦，1996）或人工制造的各种空心球（如人造的粘土泡沫熟料、氧化铝或氧化铝空心球孔材料引入孔隙。
此方法使用范围有限，是制备高强度轻质隔热材料的有效方法。
主要应用于制备氧化错和氧化铝等高强度隔热材料。
2.实验内容
2.1实验原理
氧化锆是一种多功能材料，具有十分优异的物理和化学性能，除硫酸和氢氟酸外，对酸、碱及碱熔体、玻璃熔体和熔融金属具有良好的稳定性，而且热导率低、热稳定性好及高温蠕变小，使其在工业生产中得到了广泛的应用，也是制各耐超高温、抗热震的多孔陶瓷的首选材料，是多孔陶瓷研究的重点和热点。
本实验以摩尔分数为8%Y2O3-ZrO2（8YSZ）和Al2O3粉料为主要原料，其中加入一定量配比的锯木屑、3%聚乙烯醇饱和溶液和不同粒径聚苯乙烯球制备新型8YSZ轻质耐火材料，即是把8YSZ耐火材料制备成多孔材料，进一步降低材料隔热率，减小密度。
同时多孔材料中的孔结构还可以缓解膨胀不匹配造成的应力。
2.1.1添加造孔剂
该实验通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷。
研究人员王海（2006）曾利用单一分散的PMMA为造孔剂，利用高分子悬浮技术，制得了平均粒径500nm的Zr02多孔陶瓷，孔径尺寸通过改变造孔剂尺寸来控制，孔隙率通过改变造孔剂和陶瓷颗粒的比例来控制。
该法制备多孔陶瓷关键在于造孔剂种类和用量的选择。
造孔剂加入的目的在于调节孔隙度，通常可分为无机和有机二类，这些造孔剂均在低于基体陶瓷烧结温度下分解或挥发，气孔的大小和形状由造孔剂颗粒的大小和形状所决定，因此在较低温度形成的微孔会在高温烧结时部分封闭，造成渗透性能降低。
采用熔点较高而又可溶于水、酸或碱溶液的各种盐或化合物做为造孔剂可以克服这些缺点，这类造孔剂在烧结温度下不熔化、不分解、不烧结、不与基体反应，特别适用于制备玻璃质较多的多孔陶瓷。
日本专利用60％
的YSZ（3Y）与40％的Y203混合，在1150℃烧结后，浸在30wt％的热盐酸中5h，制成了ZrO2多孔陶瓷。
图1-1实验用聚苯乙烯球
同时，造孔剂颗粒的形状大小及其与原料的混合方式也很重要。
造孔剂的大小和形状直接决定了多孔陶瓷气孔的形态，而混料的均匀性直接影响了气孔分布的均匀性。
本实验中添加的造孔剂有：
不同粒径聚苯乙烯球（如图1-1）、锯木屑
2.2实验步骤
2.2.1新型8YSZ轻质耐高温材料的制备流程图
图2-1新型8YSZ轻质耐高温材料的制备流程图
2.2.2原料制备
将市购YSZ与Al2O3按照备料方案称取对应量的实验原理，采用行星式球磨机球磨12小时，使其混合均匀，然后利用旋转蒸发仪在75℃下干燥，放入烘箱中100℃烘干，后经研磨、150目过筛等处理，得到预期的细粉混合料。
称取聚乙烯醇12g加入400g水于烧杯中，用电子万用炉加热至沸腾，不断搅拌，使聚乙烯醇溶解，冷却后转入瓶中，贴好标签，备用。
2.2.3实验过程
1>、混配料：
将得到的细粉混合物与造孔剂和聚乙烯醇按照实验要求配料，搅拌混合均匀，然后采用组合型金属模成型（40mm*40mm*40mm），将四角压实扒平后加压震动成型，得到轻质砖坯体。
表2-1添加小颗粒聚苯乙烯球制备配方
细粉
造孔剂
粘结剂
YSZ
（g）
Al2O3
（g）
聚苯乙烯球（g）
锯木屑（g）
聚乙烯醇（g）
水（g）
5
100
5
5
适量
6
100
6
5
适量
7
100
7
5
适量
8
100
8
5
适量
9
100
9
5
适量
10
100
10
5
适量
表2-2添加大颗粒聚苯乙烯球制备配方
细粉
造孔剂
粘结剂
YSZ
（g）
Al2O3
（g）
聚苯乙烯球（g）
锯木屑（g）
聚乙烯醇（g）
水（g）
D4
50
2
2.5
适量
D3.5
50
1.75
2.5
适量
D3
50
1.5
2.5
适量
D2.5
50
1.25
2.5
适量
表2-3大小颗粒不同级配下的制备配方
细粉
造孔剂
粘结剂
小：
大
YSZ
（g）
Al2O3
（g）
聚苯乙烯球（g）按9%加入（实验得）
锯木屑（g）
聚乙烯醇（g）
水（g）
J3:
7
50
1.35
3.15
2.5
适量
J4:
6
50
1.8
2.7
2.5
适量
J5:
5
50
2.25
2.25
2.5
适量
J6:
4
50
2.7
1.8
2.5
适量
J7:
3
50
3.15
1.35
2.5
适量
J8:
2
50
3.6
0.9
2.5
适量
2>、干燥与烧成：
将上一步得到的坯体在常温下干燥24h，脱模后放入烘箱中在100℃下干燥24h，烘干之后再高温炉中1650℃的温度下煅烧，随着炉子自然冷却获得所图2-2试验用微机液压万能试验机
需轻质砖材料。
（马弗炉煅烧过程：
在电压-21V，功率100kw下，40min由20℃升温至200℃，80min由200℃升温到1000℃，120min由1000℃升温至1600℃，30min由1600℃升温至1650℃，在1650℃下持续煅烧30min，5min由1650℃降至1600℃，在1600℃下保温300min，然后随炉自然冷却至室温，得到所需轻质砖材料）
3>、测试其体积密度何常温抗压强度
材料在包含实体积、开口和密闭孔隙的状态下单位体积的质量称为材料的体积密度。
在建筑材料中,对材料的质量和体积之比称为密度。
在不同构造状态下又可分为真密度表现密度和堆积密度，而表观密度又根据其开口孔分为体积密度和视密度。
单位：
g/m3
式中m：
材料坯体的质量；单位：
g；
a：
材料坯体的长；单位：
mm；
b：
材料坯体的宽；单位：
mm；
c：
材料坯体的高；单位：
mm
表2-4试验所用的仪器
仪器
型号
厂家
电子天平
AR2140
奥豪斯仪器（上海）有限公司
行星式球磨机
QM-WX4
南京大学仪器厂
超声波清洗器
KQ-100E
昆山市超声仪器有限公司
循环水式真空泵
SHZ-D（Ⅲ）
巩义市英峪予华仪器厂
旋转蒸发器
SENCO
上海申生科技有限公司
真空干燥箱
DZ-2BC
天津市泰斯特仪器有限公司
微机液压万能试验机WEW-50上海华龙测试仪器厂
实验所用主要测试仪器为微机液压万能试验机，型号：
WEW-50，上海华龙测试仪器厂
本试验机为下置式液压万能试验机，主要用于金属材料和水泥、混凝土、塑料等非金属材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验。
增加附件，可完成钢绞线、钢丝绳、链条、电焊条、胶带及构件的力学性能试验。
本试验机根据国家GB/T3159-2008《液压式万能试验机》设计与制造。
采用油压传感器测力，电子引申计测试拉伸变形，计算机处理运算数据，具备试验数据屏显和存贮、曲线绘制和分析、打印结果等功能。
。
广泛应用于机械、冶金、交通、建工、建材、大专院校、质量检测等行业和部门。
性能可靠，经济实用，是生产和工程中材料检测的理想试验机。
图2-2试验用微机液压万能试验机
3.实验数据分析及结论
3.1YSZ小球数据
表3-1YSZ（小球）样品烧后（磨前）数据表
烧后（磨前）
长（mm）
宽（mm）
高（mm）
质量（g）
体积密度（g/m3）
5-1
30.1
30
29.04
43.0244
1640704.844
5-2
30.26
30.14
29.1
42.9994
1620157.498
6-1
30.4
30.22
29.14
38.0458
1421180.139
6-2
30.2
30.28
29.22
36.704
1373631.909
7-1
30.8
30.2
29.71
33.4226
1209427.725
7-2
30.6
30
29.92
34.1943
1244942.942
8-1
30.1
30.08
29.7
29.4265
1094303.613
8-2
30.82
30
29.62
29.4964
1077035.63
9-1
31.8
32.1
32.06
20.8512
637140.7517
9-2
31.6
32.26
31.6
19.3923
601992.1011
10-1
32.74
32.1
32.44
21.6819
635964.3687
10-2
31.68
32.9
31.54
18.4399
560939.2141
M3-1-1M3-1-2M3-1-3M3-1-4
图3-1小球烧前对比图
表3-2YSZ（小球）样品烧后（磨后）数据表
烧后（磨后）
长（mm）
宽（mm）
高（mm）
质量（g）
体积密度（g/m3）
5-1
28.02
29.88
29.94
40.867
1630317.678
5-2
30.34
29.88
28.12
40.82
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