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陶瓷纤维耐火材料的抗高温蠕变性能

     陶瓷纤维系列耐火材料多数是用于1000度以上高温下使用工程材料,其抗蠕变性能对窑炉的高温结构强度起主导作用。因此对于低蠕变耐火材料的研究已经越来越受人们的重视。

    首先我们来看陶瓷纤维耐火材料高温蠕变的影响因素
    影响耐火材料高温蠕变的因素是多方面的,而且许多因素又是相互联系在一起的。影响耐火材料蠕变变形的因素主要有以下几点:外界作用条件,包括温度,荷重,时间,气氛(氧化性或还原性)材料的材质,包括其化学组成,矿物组成(单相或多相),微观结构。耐火材料的化学- 矿物组成及其显微结构决定了材料的抗蠕变性能。一般说来,在相组成基本确定的条件下,体积密度高、耐压强度大、气孔率低的制品,其抗蠕变性能较好;温度升高,时间增加,应力增大,材料的蠕变变形会增大。
    高温蠕变理论
    蠕变性通常称之为徐缓的变形,即在低于屈服点的机械应力作用下,随着时间的进展,其固体发生流动和质量传递,而其整体性又未受到破坏。种变形表示材料对机械荷重作用具有长时间的抵抗能力。蠕变曲线是在高温下、恒定荷重时,材料的变形随时间连续变化的曲线。它可分为3 个阶段: (1) 在初始加荷出现瞬时应变ε0后的蠕变速率dε/ d t =ξ减小阶段(又称减速或迁移蠕变阶段) ;(2) 蠕变速率最小并保持恒定的稳态蠕变阶段; (3) 蠕变速率急剧增大至破坏前的蠕变速率增加阶段(又称加速蠕变阶)
    陶瓷纤维系列耐火材料
    陶瓷纤维系列耐火材料的高温机械行为主要取决于显微结构特征, 依赖于两个主要因素:玻璃基质的数量和粘度(玻璃效应),晶体间接触或结合的程度和方式(结晶效应)。玻璃相含量低, 粘度高以及晶体间结合程度高并形成连续交错网络结构, 有利于提高高温力学性能。
    1、烧结矾土的高温蠕变性能
    在《我国DK型烧结高铝矾土材料的高温蠕变行为》的试验结果表明材料的蠕变性能取决于Al2O3含量。Al2O3含量越接近70% ,刚性模量和断裂强度越高,蠕变速率越小。其高温力学性能好坏的顺序为Ⅱ等矾土> Ⅰ等矾土> Ⅲ等矾土。烧结矾土材料的高温力学行为主要取决于显微结构特征,而后者依赖于两个因素一是玻璃效应, 即玻璃基质的数量和粘度二是结晶效应,即晶体间接触的程度和方式。玻璃数量越多, 表观粘度越低, 则蠕变速率越大。结晶相之间相互接触的程度越大, 蠕变量越小。结晶相间接触或结合的形式也有重要影响,交错联锁的结构方式有利于阻碍晶间滑移, 降低蠕变速率。烧结矾土材料系由结晶相刚玉和莫来石和玻璃相构成的不均匀体。在Tp以上温度, 玻璃效应和结晶效应同时起作用, 并且相互影响然而哪个是主导因素, 却要根据具体情况而异。
    Ⅲ等烧结矾土材料在结构上的特点是玻璃相含量较高(15%~25%), 晶体间接触较差,因而玻璃效应是主导因素, 它在较低温度(850°C以上)即开始呈现实质性蠕变, 比较缓和, 因为弥散分布在玻璃基质中的结晶相(主要是微粒莫来石)起着“ 填充料” 作用, 增高表观粘度, 减缓流动速度。这时的蠕变, 玻璃效起着主要作用, 结晶效应也有一定作用。但是进入粘滞流动阶段后, 玻璃基质流动性急骤增高, 莫来石“ 填充料” 的强化作用显著减弱, 表观粘度下降, 结果是蠕变速率剧增,这时玻璃效应是控制因素,结晶效应所起的作用越来越小。
    Ⅰ等烧结矾土材料玻璃相含量较低(6~8%),而且玻璃相组成含有较高的TiO2;结晶相主要是刚玉,其次是莫来石,还有少量的钛酸铝固溶体。它们的显微结构呈明显的晶体间接触,主要是刚玉颗粒的结合。但结合形式是断续的网络结构。在塑型流动阶段,结晶效应起着主导作用,所以它的蠕变性能比Ⅲ等材料好的多。当温度达到1120~1130°C,玻璃相的流动性迅速增加,微晶体“ 填充料” 的强化作用显著减弱,玻璃基质还会逐渐通过晶粒边界溶解晶体间的接触。结果是蠕变速率显著加快,这时控制蠕变的主导因素已演变为玻璃效应, 结晶效应退居次位。
    Ⅱ等材料蠕变机理的特点是在试验温度范围内始终以结晶效应为主控因素。关键在于它的独特的显微结构特征, 即发育较好的莫来石晶体形成高度结合的连续的联锁交错网络结构,它的玻璃相含量低,主要填充在网络结构空隙之间。所以玻璃效应要小的多。
    陶瓷纤维系列耐火材料的蠕变性能取决于其显微结构特征,主要依赖于两个因素:1) 玻璃相基质的数量和粘度(玻璃效应) ;2)晶体间接触或结合的程度和方式(结晶效应) 。玻璃相含量低、粘度高以及晶体间结合程度高并形成连续交错的网络结构,有利于提高材料的高温抗蠕变性能。
信息来源:http://www.bestbw.com

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