高温浇注料的抗热震性提升技术与机理研究

高温浇注料的抗热震性提升技术与机理研究

高温浇注料的抗热震性提升需从材料组成、结构设计及物理机制入手，通过yz裂纹萌生与扩展、缓解热应力及增强晶界结合等技术路径实现。

裂纹扩展路径

穿晶断裂：裂纹穿过骨料颗粒，常见于低韧性材料（如纯刚玉浇注料）；

沿晶断裂：裂纹沿骨料与基质界面扩展，与结合剂强度密切相关。

抗热震性提升关键技术

纤维增韧：裂纹桥联与能量耗散

钢纤维（直径 0.2-0.5mm，掺量 1-3%）：

作用机制：

裂纹桥联：纤维跨越裂纹两端，施加反向应力yz扩展（桥联应力≥50MPa）；

拔出耗能：纤维从基质中拔出时消耗能量（拔出功≥200J/m²）。

案例：某钢厂加热炉浇注料加入 2% 钢纤维后，抗热震性（1100℃水冷次数）从 8 次提升至 22 次。

陶瓷纤维（如 Al₂O₃-SiO₂纤维，直径 5-10μm）：

弹性模量低（70-100GPa，低于刚玉的 380GPa），可缓解界面应力集中，适合氧化物基浇注料。

纳米复合添加剂：相变增韧与晶界强化

ZrO₂相变增韧：

引入 3Y-TZP（3mol% Y₂O₃稳定的四方 ZrO₂），利用 t→m 相变吸收能量（每 mol 相变吸能约 800J），相变诱导压应力（≈1000MPa）抵消热应力。

数据：含 15% ZrO₂的浇注料，热震后裂纹宽度从 0.3mm 降至 0.1mm。

碳纳米管（CNTs）增强：

高长径比（1000-10000）的 CNTs 在基质中形成导电网络，通过焦耳热效应缓解局部温差（温度梯度降低 30%），同时提升断裂韧性（KIC 从 2.5MPa・m¹/² 升至 4.0MPa・m¹/²）。

低弹性模量结合剂：应力释放设计

磷酸盐结合剂：

与 Al₂O₃反应生成磷酸铝镁复盐（如 MgAlPO₄），弹性模量（50-80GPa）低于传统铝酸钙水泥（100-150GPa），可降低热应力 30-50%。

微膨胀剂：

引入 MgO-CaO-SiO₂-B₂O₃系玻璃粉，高温下（800-1000℃）软化产生 0.1-0.3% 膨胀，补偿冷却收缩应力。

结构设计与工艺优化

1. 梯度功能材料（FGM）设计

多层复合结构：

工作层：高刚玉含量（≥80%）+ ZrO₂微粉，耐侵蚀；

过渡层：刚玉 - 莫来石复合 + 钢纤维，缓冲应力；

背衬层：轻质莫来石 + 陶瓷纤维，低导热（热导率≤1.0W/m・K）。

效果：某玻璃窑浇注料采用梯度结构后，热震损伤因子（R’=λσf/(Eα)）提升 2.3 倍，寿命延长 60%。

2. 表面涂层技术：yz初始裂纹

气相沉积（CVD）涂层：

在骨料表面包覆 SiC 层（厚度 2-5μm），形成 “刚玉 - SiC” 复合颗粒，界面热失配应力降低 40%，同时提升抗氧化性（氧化增重率从 5mg/cm² 降至 1.2mg/cm²）。

预裂纹诱导处理：

在浇注料表面预制微裂纹（宽度≤50μm，间距 2-3mm），使热震主裂纹优先在预设区域扩展，避免突发破坏。

四、表征手段与机理验证

1. 热震性能测试

急冷急热法：1100℃保温 30min 后水冷，记录裂纹数量及宽度（如 ISO 13762 标准）；

超声波检测：通过声速衰减率（Δv/v）评估内部损伤，Δv/v 每增加 1% 对应裂纹面积增加 5%。

2. 微观机理分析

SEM 观察：钢纤维拔出痕迹（长度≥200μm）表明有效耗能；ZrO₂颗粒周围的微裂纹（半径≤50μm）显示相变增韧作用。

XRD 物相分析：热震后 t-ZrO₂峰强度下降（从 80% 降至 55%），证明相变发生。