能源的過度消耗現已成為高溫工業面臨的重要挑戰，為了推動綠色低碳能源體系的建設，對各類工業窯爐進行保溫絕熱改造，提升其熱效率是當前刻不容緩的任務。傳統的高溫窯爐能耗大的原因在于采用了重質結構而具有較大的熱慣性和熱容量，使得在窯爐運作時的升降溫速率較低，需要更多的能量來加熱和冷卻，因此兼具輕質、高強度、低導熱、耐熱等性能的氧化鋁多孔陶瓷成為了輕型結構高溫窯爐內襯材料的優選。

來源：巖谷科技

氧化鋁多孔陶瓷為什么能夠隔熱？

眾所周知，氧化鋁的熱導率約20-30W/(m·K），是導熱填料主力大軍，被視為導熱界面材料的“退燒藥”。那為何具有出色導熱能力的氧化鋁搖身一變多孔材料，就能具備優異的隔熱耐火性能呢？這其中的奧秘與以下幾個原因有關：

氧化鋁多孔陶瓷

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一方面，同一材料在不同溫度下熱導率并不相同，隨著工業窯爐內溫度的升高，氧化鋁的熱導率會不斷下降，1200℃下的熱導率大概只有400℃下的熱導率的一半左右。不過，氧化鋁的熱導率在常溫下有20-30W/(m·K），即使高溫窯爐內達到1200℃，也能達到將近10W/(m·K）的熱導率，比很多材料的熱導率都要高。因此，多孔氧化鋁陶瓷具備的優異隔熱耐火性能主要還是與其結構有關。

氧化鋁用作導熱陶瓷時，一般要求密度和純度較高，以減少原子或離子無序排列的玻璃相成分。而當氧化鋁陶瓷做為隔熱材料時，其結構上的最大特點就是多孔、低密度。這種多孔結構，使得熱量從高溫面向低溫面傳遞時，在固相中傳熱為固相傳導，但在碰到氣孔以后，傳熱路線變為兩條：一條是通過氣孔內的氣體傳熱，主要有空氣對流傳熱、輻射傳熱以及氣體分子的運動導致的傳熱這三種方式；另一條路線則仍是固相傳遞，但其傳熱方向發生了變化，大大延長了總的傳熱路線；因此氧化鋁多孔陶瓷在一定程度上既可以阻隔熱傳導，也能夠阻隔熱輻射，從而有效地起到隔熱保溫的作用。

氧化鋁隔熱材料的隔熱機理（來源：高溫節能保溫技術）

氧化鋁多孔陶瓷隔熱耐火性能如何提升？

用于高溫工業窯爐中的氧化鋁多孔陶瓷要提升隔熱耐火性能，主要從降低熱導率以及提升抗熱震性兩方面入手。

1、降低熱導率的措施

氧化鋁多孔陶瓷是由一個或多個固相和氣相組成的多相材料聚集體，而根據上述所說的隔熱機理，不難看出其熱導率與孔結構有著緊密的關系。因此降低氧化鋁多孔陶瓷熱導率的關鍵在于對孔隙率、孔結構的調控。

①孔隙率控制：由于空氣中傳遞的熱量遠小于固相中傳遞熱量，其熱導率僅約為0.0245-0.0778W/(m·K)，因此對于整個材料傳導過程來說，氣相所占的比例越大，其導熱系數越小，因此氧化鋁多孔陶瓷的氣孔率一般都控制在45%以上。但為了保證一定的機械性能，氧化鋁多孔陶瓷的孔隙率并不能一味增加。因此當輕質隔熱材料的氣孔率在一定程度上無法繼續提升時，其熱導率主要取決于材料內部的氣孔尺寸及相互之間的連通情況。

②氣孔大小控制：在孔隙率不變的情況下，較小的氣孔在減小了空氣對流的幅度，降低了對流傳熱的效率的同時，也意味著氣孔數量的增加，較大的材料內部氣孔壁表面積的總量增加了固體反射面，從而降低了幅射傳熱效率。因此，在保持材料氣孔率不變的情況下，減小氣孔尺寸會降低材料的熱導率。

③氣孔結構控制：閉口氣孔與開口氣孔在導熱系數方面也存在差異。由于閉口氣孔內部的空氣與外界隔絕，形成了一個相對穩定的隔熱層，從而減少了熱量的傳遞，因此要在相同體積密度下降低氧化鋁多孔陶瓷的熱導率，也可通過提高其閉氣孔率。

雖然，氧化鋁多孔陶瓷的隔熱機理主要是利用了其多孔結構引入了氣相成分，但在較高溫下，由固相傳導的熱量仍占70%。因此，除了對其孔隙率、孔結構進行調控外，對固相成分進行調控也十分重要。目前主要通過生成或直接添加熱導率較低的新相，如稀土化合物或玻璃相成分等。稀土氧化物中的氧離子和陰離子的相對原子質量及尺寸相差較大，導致晶格散射大，而玻璃相具有近程有序的特點，聲子平均自由程小，從而使得熱導率降低；

2、提升抗熱震性的措施：

溫度的變化會使多孔陶瓷在快速降溫或快速升溫時發生斷裂，抗熱震性則是指材料承受溫度的驟冷、驟熱而不被破壞的能力。

由于脆性較大，氧化鋁多孔陶瓷在熱震時，溫度變化引起的熱應力易導致試樣表面產生裂紋，裂紋會使得殘余強度下降。一般來說，氧化鋁陶瓷經300℃溫差單次熱震后的強度保持率僅約為22%。因而，阻止裂紋產生和裂紋擴展對于提高多孔陶瓷抗熱震性十分關鍵。目前，除了需要保持適中的氣孔率，以兼顧材料良好的抗熱震性以及隔熱性能外，對于氧化鋁基陶瓷而言還可采用引入第二相的方式進行增韌或添加低熱膨脹系數組元來降低陶瓷的熱膨脹系數，從而改善其抗熱震性能。目前常用的第二相材料包括氧化鋯、碳化硅、鈦酸鋁、堇青石等非金屬材料以及Cu、Ni、金屬間化合物等金屬材料，具有較低熱膨脹系數或負膨脹系數的組元則包括堇青石、莫來石、紅柱石、鈦酸鋁、鋰霞石等。

不同ZrO2添加量下Al₂O₃抗熱震陶瓷的SEM圖片

含有10%堇青石的Al₂O₃抗熱震陶瓷的SEM圖片

小結

氧化鋁多孔陶瓷具有多孔、低密度的結構特點，是一種優異的輕質隔熱材料。為了使其更好地應用在在高溫工業中，可通過結構的調整精確控制氣孔的孔徑分布及尺寸，或引入第二相來進一步提升其隔熱性能。而在抗熱震性能上，則需要采用引入增強相增韌、添加低熱膨脹系數組元等方式對其進行增韌處理。

周愛萍,魏春成,李培江等.多孔陶瓷的性能及其應用[J].陶瓷.

桑榆. 高溫隔熱氧化鋁基多孔陶瓷的研究[D].武漢理工大學.

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