Cơ chế cách nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng của vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt là đối lưu, dẫn điện và bức xạ và sự tương tác giữa chúng. Bởi vì vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt bao gồm hai pha, khí và rắn, nhiệt được truyền trong giao diện pha và pha. Dẫn nhiệt là sự truyền năng lượng bên trong khi các phân tử nhiệt độ cao, năng lượng cao va chạm với các phân tử nhiệt độ thấp và năng lượng thấp. Nhiệt ở vùng nhiệt độ cao chảy đến vùng nhiệt độ thấp và cuối cùng đạt đến trạng thái cân bằng. Chìa khóa cho hiệu ứng cách nhiệt của vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt là cấu trúc vi mô của nó. Bảng 1 cho thấy tỷ lệ của một số phương pháp truyền nhiệt trong vật liệu cách nhiệt với độ xốp 70%. Có thể thấy rằng dẫn pha rắn vẫn là chế độ truyền nhiệt chính ngay cả ở nhiệt độ 1500 ° C. Do đó, so với vật liệu chịu lửa dày đặc, cấu trúc xốp của vật liệu cách nhiệt có thể được coi là pha rắn được phân tách bằng pha khí và dẫn pha rắn trở thành dẫn nhiệt pha khí, do đó làm giảm độ dẫn nhiệt.
Khi nhiệt được truyền từ bề mặt nhiệt độ cao, đầu tiên là dẫn nhiệt pha rắn. Sau khi gặp lỗ chân lông, đường truyền nhiệt được tăng thêm một: truyền nhiệt qua khí trong lỗ chân lông, và đường kia vẫn được truyền qua pha rắn, nhưng hướng truyền nhiệt đã xảy ra. Sự thay đổi, tổng lộ trình truyền nhiệt được mở rộng. Ngoài ra, nhiệt cũng có thể được truyền bằng bức xạ. Mặc dù phần năng lượng này nhỏ ở nhiệt độ thấp, không đáng kể, nhưng năng lượng bức xạ tỷ lệ thuận với khối nhiệt độ và hiệu ứng truyền nhiệt ở nhiệt độ cao là rất đáng kể.
Để giảm tổn thất nhiệt của lò nhiệt độ cao, nghiên cứu lý thuyết mới về cách nhiệt vật liệu và phát triển vật liệu cách nhiệt dẫn nhiệt thấp đã được thực hiện. Vào những năm 1940, Samuel Kistler của Hoa Kỳ đã chế tạo thành công vật liệu cách nhiệt nano với nhiệt độ 1050 ° C bằng cách giữ lại cấu trúc sắp xếp của các hạt silica ở trạng thái gel và lần đầu tiên nhận ra nanomet của vật liệu khí silic. Cấu trúc lỗ chân lông, do giá cao, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp.
Độ dẫn nhiệt của vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt có liên quan đến thành phần khoáng hóa học và trạng thái kết tinh của vật liệu, cũng như sự phân bố, hàm lượng và sự sắp xếp của các pha. Ba yếu tố kích thước lỗ rỗng, thành phần vật liệu và mật độ khối của vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả cách nhiệt.
[1] Tác dụng của khí khổng
Khi độ xốp của vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt không đổi, độ dẫn nhiệt chủ yếu được xác định bởi hình dạng của lỗ chân lông bên trong vật liệu, kích thước lỗ rỗng và kết nối giữa nhau. Khi kích thước lỗ trở nên nhỏ hơn, tính chất cách nhiệt của vật liệu tăng lên. Kích thước lỗ nhỏ hơn có nghĩa là sự gia tăng số lượng lỗ chân lông. Một mặt, kích thước lỗ nhỏ hơn làm giảm biên độ đối lưu không khí và hiệu quả truyền nhiệt đối lưu giảm. Mặt khác, sự gia tăng số lượng lỗ chân lông làm tăng tổng diện tích bề mặt của các lỗ chân lông trong vật liệu. Bề mặt phản xạ rắn tăng lên, dẫn đến giảm hiệu quả truyền nhiệt bức xạ. Do đó, khi độ xốp không đổi, việc giảm kích thước lỗ rỗng làm giảm tính dẫn nhiệt của vật liệu.
Theo mô hình Loeb:
\= 4γ · d · δ · ε · T3
Độ dẫn nhiệt tỷ lệ thuận với hình dạng khối của hệ số hình dạng lỗ rỗng [γ], kích thước lỗ rỗng [d], hằng số bức xạ [δ], độ phát xạ nhiệt [ε] và nhiệt độ tuyệt đối [T]. Tuy nhiên, mô hình Loeb chỉ phù hợp với các vật liệu xốp có đường kính lỗ rỗng lớn hơn 1 μm. Khi đường kính lỗ rỗng là nanomet, sự thay đổi độ dẫn nhiệt của vật liệu không còn phù hợp với mô hình. Nghiên cứu thực nghiệm và dẫn xuất lý thuyết cho thấy rằng khi đường kính của lỗ chân lông nhỏ hơn 50nm, các phân tử không khí trong lỗ chân lông sẽ không còn di chuyển tự do nữa, mà sẽ bị hấp phụ trên các lỗ chân lông mà không có sự đối lưu của khí, tương đương với khí trạng thái chân không. . Do đó, bằng cách giữ cho lỗ chân lông nhỏ hơn 50nm trong khi giảm thiểu mật độ khối của vật liệu, hiệu suất dẫn nhiệt phân tử và hiệu suất dẫn nhiệt đối lưu của vật liệu có thể được thực hiện gần bằng không. Ngoài ra, hình dạng của lỗ chân lông có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả cách nhiệt của vật liệu cách nhiệt nhẹ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các vật liệu cách nhiệt nhẹ với lỗ chân lông kín hình cầu có vật liệu cách nhiệt tốt hơn so với lỗ chân lông dài hoặc mở. Hiệu quả cách nhiệt.
[2] Tác động của thành phần vật liệu
Theo mô hình Loeb, độ dẫn nhiệt bức xạ nhiệt tỷ lệ thuận với độ phát xạ nhiệt của vật thể, và độ phát xạ càng nhỏ thì hiệu quả cách nhiệt càng tốt. Janssen và cộng sự. thấy rằng sự phát xạ nhiệt của các oxit có liên quan đến kích thước hạt, nhiệt độ và thành phần. Tăng hàm lượng Al 2 O 3, ZnO, MgO và CaO trong các sản phẩm cách nhiệt có lợi để giảm sự phát xạ nhiệt, đồng thời thêm một lượng nhỏ các oxit nguyên tố chuyển tiếp. Tăng đáng kể sự phát xạ nhiệt của vật liệu. Do đó, trong vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt, cố gắng không trộn lẫn các yếu tố chuyển tiếp như Fe và Cr. Ngoài ra, việc giảm kích thước hạt của các hạt nguyên liệu thô cũng giúp giảm độ phát xạ nhiệt của vật liệu.
[3] Ảnh hưởng của mật độ khối
Do độ dẫn nhiệt của vật rắn cao hơn không khí tĩnh, nên độ dẫn nhiệt của vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt ở nhiệt độ thường giảm khi hàm lượng chất rắn trên một đơn vị thể tích giảm, nghĩa là mật độ khối càng nhỏ, nhiệt càng thấp độ dẫn điện. Trong phạm vi kích thước lỗ thông thường của vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt [1 ~ 1000μm], khi mật độ khối giảm, số lượng lỗ tăng, kích thước lỗ trung bình tăng và tổng số giao diện rắn giảm, làm trầm trọng thêm bức xạ của không khí bên trong lỗ chân lông. nhiệt. Do đó, để làm cho vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt nhất định có độ dẫn nhiệt thấp nhất, mật độ khối không nhỏ hơn, nhưng phải tương ứng với nhiệt độ sử dụng cụ thể, trong đó độ dẫn nhiệt tốt nhất của vật liệu là thấp nhất.