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成型壓力對納米氧化矽隔熱材料孔結構的影響

來源:河南省耐火材料行業協會 時間:2017-12-21 浏覽數:次

納米氧化矽粉是一種無定形态納米粉末,這種無定形态的納米粉實際是由SiO4四面體不規則堆積而成的聚集體,通常包括SiO4四面體、由SiO4四面體形成的球形原生粒子(5~50 nm)、由原生粒子通過化學鍵或毛細表面作用力形成的硬團聚體(100~500nm)以及進一步團聚而成的軟團聚體(>1 μm4 個層級結構。由于存在尺寸差别較大的軟、硬團聚體以及原生粒子,導緻了納米氧化矽粉中三級孔洞結構的存在:(1)第一級孔洞:硬團聚體内部孔洞,即組成硬團聚體的原生粒子之間的孔洞,尺寸範圍<50nm;(2)第二級孔洞:硬團聚體之間孔洞,或軟團聚體内部孔洞,尺寸範圍為50~500 nm;(3)第三級孔洞:軟團聚體之間的孔洞,尺寸範圍>500 nm。從圖1 自然堆積的納米氧化矽粉孔徑分布可以看出,孔洞尺寸涵蓋了三級孔洞所有的範圍。

1 自然堆積的納米氧化矽粉體孔徑分布

由于納米粉的硬團聚體是由固體橋力、化學鍵作用力以及氫鍵作用力等原因産生的,其結構比較穩定,不易被破壞;而軟團聚體則是粉體表面的原子、分子之間的範德華力和靜電效應所導緻,在機械加工的過程中容易被破壞。因此,壓力所造成的影響應首先是破壞了軟團聚體之間的第三級孔洞;随着壓力的進一步增大,當壓力大于分子間庫侖力或者範德華力時,第二級孔洞将逐漸被破壞;而當壓力所産生的能量大于氫鍵或者化學鍵能量時,第一級孔洞才有可能被破壞。

有研究結果表明:随着成型壓力的增大,納米氧化矽隔熱材料内的第2級和第3級孔洞結構可相繼被破壞,而硬團聚體形成的第1級孔洞結構則不會發生破壞,這間接導緻了材料隔熱性能的變化;當成型壓力為4MPa 時,在不同溫度下,納米氧化矽隔熱材料均可獲得最低的導熱系數。(鄭州大學高溫材料研究所 王世界)