Wpływ konstrukcji materiału na odporność monolitycznych materiałów ogniotrwałych na szok termiczny

W zastosowaniach przemysłowych wymagających wysokich temperatur, monolityczne materiały ogniotrwałe odgrywają istotną rolę. Ten typ materiału musi nie tylko wytrzymywać ekstremalnie wysokie temperatury, ale także musi zachować integralność strukturalną i stabilność działania podczas drastycznych zmian temperatury, zwłaszcza pod względem odporności na szok termiczny. Projektowanie materiałów jest kluczowym ogniwem poprawiającym odporność na szok termiczny niekształtowanych materiałów ogniotrwałych. Jej wpływ jest dalekosiężny i złożony i obejmuje wiele aspektów.

Przede wszystkim dobór składników jest podstawą projektowania materiału i bezpośrednio wpływa na odporność na szok termiczny monomorficznych materiałów ogniotrwałych. Tlenek glinu (Al2O3) stał się jednym z głównych składników amorficznych materiałów ogniotrwałych ze względu na wysoką temperaturę topnienia, wysoką twardość i doskonałą stabilność chemiczną. Badania pokazują, że dostosowanie zawartości i postaci krystalicznej Al2O3 może znacząco wpłynąć na współczynnik rozszerzalności cieplnej, przewodność cieplną i moduł sprężystości materiału, tym samym bezpośrednio wpływając na jego odporność na szok termiczny. Ponadto należy kompleksowo rozważyć wybór surowców, takich jak krzem i tlenek magnezu, w oparciu o konkretne scenariusze zastosowań, aby uzyskać najlepszy efekt odporności na szok termiczny.

Kontrola mikrostruktury jest jednym z kluczowych czynników determinujących właściwości materiału. W przypadku niekształtowanych materiałów ogniotrwałych cechy mikrostrukturalne, takie jak wielkość ziarna, porowatość i rozkład porów, mają istotny wpływ na ich odporność na szok termiczny. Optymalizując proces spiekania, np. dostosowując temperaturę spiekania, czas przetrzymywania i warunki atmosferyczne, można skutecznie kontrolować wzrost ziaren, tworząc jednolitą i drobnoziarnistą strukturę, redukując defekty wewnętrzne, poprawiając w ten sposób wytrzymałość i odporność materiału na pękanie . Jednocześnie odpowiednia ilość porowatości może złagodzić naprężenia termiczne, ponieważ pory mogą służyć jako kanały uwalniania naprężeń i zmniejszać koncentrację naprężeń termicznych spowodowanych zmianami temperatury.

Wprowadzenie dodatków może również znacząco poprawić odporność monolitycznych materiałów ogniotrwałych na szok termiczny. Na przykład nanocząstki, ze względu na swoją dużą powierzchnię właściwą i aktywność, mogą tworzyć w materiałach struktury powierzchni styku w skali nano, zwiększając w ten sposób ogólną wytrzymałość materiału. Włókno ceramiczne może poprawić wytrzymałość materiału i zmniejszyć uszkodzenia materiału spowodowane stresem termicznym. Ponadto niektóre specjalne dodatki, takie jak tlenek cyrkonu (ZrO2), ze względu na działanie utwardzające ze zmianą fazy, mogą ulegać przemianie fazowej w wysokich temperaturach i absorbować naprężenia termiczne, co jeszcze bardziej poprawia odporność materiału na szok termiczny.

Projektowanie materiałów kompozytowych to kolejny skuteczny sposób poprawy odporności na szok termiczny niekształtowanych materiałów ogniotrwałych. Dzięki starannemu doborowi materiałów osnowy i wzmocnienia w celu uzyskania dobrego dopasowania współczynników rozszerzalności cieplnej, można skutecznie zmniejszyć naprężenia termiczne na styku i zwiększyć odporność materiału kompozytowego na szok termiczny. Na przykład połączenie tlenku glinu z tlenkiem cyrkonu może stworzyć materiał kompozytowy o doskonałej odporności na szok termiczny. Jednocześnie zastosowanie technologii wzmacniania włóknami, np. dodawanie włókien stalowych lub ogniotrwałych do odlewów ogniotrwałych, może znacznie poprawić wytrzymałość i odporność materiału na pękanie, a także jeszcze bardziej zwiększyć jego odporność na szok termiczny.