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中空陶瓷微球基无机固体浮力材料的制备与性能研究

耿海涛  
【摘要】:浮力材料是重要的工程材料,被广泛用于深潜器的制造、海洋油气资源开发、海上人工岛建造等海洋开发领域。随着海洋开发的进一步深入,深海热液探测设备、海洋空间站建设、跨介质飞行器制造等领域对浮力材料的耐温性提出了更高的要求。目前国内外主要采用的是树脂基的有机固体浮力材料,一般是通过在树脂基体中加入空心球制备而成。这种浮力材料具有轻质高强等优点,但也有不耐高温的缺点。本文从材料组成这一本质问题入手,采用以耐高温的陶瓷粘结剂代替树脂基体的思路,用陶瓷粘结剂结合陶瓷空心微球制备了耐高温的无机固体浮力材料。首先,借鉴陶瓷粘结剂结合金刚石颗粒低温烧结制备磨具的思路,利用硼铝硅酸盐玻璃粉为粘结剂结合空心玻璃微珠制备了耐温的无机浮力材料。考察了空心玻璃微珠种类、空心微珠含量、煅烧制度等对试样性能的影响,并对试样进行了压缩测试,分析了试样产生不同断裂方式的原因。另外,对试样在高温下的压缩性能进行了测试分析。研究表明,利用硼铝硅酸盐玻璃粉为高温粘结剂结合空心玻璃微珠,可以得到体积密度为0.23-0.91g/cm~3,抗压强度为4.94-28.03MPa的耐温无机浮力材料。在500-550℃时,所制备的无机浮力材料仍能保持室温时力学性能。随着气孔率的增加,试样的热导率和弹性模量均有一个下降的趋势。试样的热导率处于Landauer表达式和Hashin-Shtrikman上限模型给出的预测值之间,与Landauer表达式更接近。而试样的弹性模量多数居于Gibson-Ashby模型与Hashin-Shtrikman上限模型给出的预测值之间,与Hashin-Shtrikman上限模型给出的预测值接近。其次,为了降低硼铝硅酸盐玻璃结合剂在高温下发生软化对试样性能的影响,利用磷酸盐粘结剂结合空心玻璃微珠制备了轻质高强的耐温无机浮力材料。针对磷酸二氢铝粘结剂结合空心玻璃微珠所制备试样中容易出现较大空隙的问题,分析了添加剂碳化硼对材料性能的影响。研究发现,随温度升高磷酸盐粘结剂会失去所含水分而产生一定量的空隙,对试样性能产生不利影响。而添加碳化硼后,在煅烧过程中碳化硼发生氧化体积膨胀,可以弥补所产生的空隙,改善材料的力学性能。当试样中含有5-15wt.%碳化硼,经过700-900℃煅烧处理2h后,可以得到体积密度为0.525-1.198 g/cm~3,抗压强度为10.80-20.38 MPa的耐温无机浮力材料。通过丁烷喷枪火焰模拟高温使用条件,考察了试样的耐温性能。实验证明,所制备的无机浮力材料具有良好的耐温性。随着气孔率的增加,试样的弹性模量有一个不断下降的趋势。试样的弹性模量值多数处于Hashin-Shtrikman上限模型和Gibson-Ashby模型给出的预测值之间,更接近Hashin-Shtrikman上限模型预测值。最后,针对空心玻璃微珠软化温度较低(约600℃)的问题,利用复合陶瓷粘结剂结合氧化铝空心球制备了耐更高温度的无机浮力材料。分析了试样组成、煅烧制度、低熔点烧结助剂、短切莫来石纤维等对材料性能的影响。研究表明,当以粒径级配为0.2-0.5:0.2-1.0:1.0-2.0mm=2:1:2的质量比加入氧化铝空心球,添加40wt.%的球形二氧化硅粉,含有5wt.%B_2O_3和6wt.%短切莫来石纤维时,1500℃保温4h,可以获得体积密度为1.30g/cm~3,抗压强度为11.97MPa,气孔率为62.5%的耐高温无机浮力材料。


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