CN101830721B - 一种航空发动机试车台用消音耐火预制件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空发动机试车台用消音耐火预制件及制备方法，它是由焦宝石、陶粒、结合剂、中温烧结剂、复合减水剂和水混配后、经双面加压震动成型、养护、轻烧而成。本发明制备的消音耐火预制件不但消音效果好，抗高温、高压、高速气流的冲刷和磨损，而且高温体积稳定，急冷急热性能优良，还能有效地防止水化。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空发动机试车台用消音耐火预制件及制备方法，属于无机非金属复合材料领域。
背景技术
噪声污染同水污染、大气污染一起被列为全球三大污染。有关资料表明:人如果长期工作、生活在噪声环境下会产生烦躁和不安，超过85dBA会造成听力损伤和神经衰弱等症状，大于120dBA的强噪声还能引起突发性疾病，致人猝死。随着人们环保意识的加强，在以人为本、追求工农业可持续发展的今天，噪声治理成为一个迫在眉睫的健康问题。由于航空发动机试车时压气机源源不断地把压缩了的空气送到后面的燃烧室，在燃烧室里空气和燃料混合燃烧，向后排出高温、高速、高压气体，这些气体因此带来高强度的宽频带噪声。此噪声的声压级高120-140dBA，加之每秒60-120公斤的进气流量，800-1200℃的排气温度，给试车间的消音降噪带来极大困难，且较低频率的机械旋转噪声、燃烧噪声或螺旋桨噪声又可传播到1-2公里以外，形成大范围的环境污染, 因此在航空发动机试台噪声控制设计中进、排气道的消声设计是重要环节。为此许多工程技术人员都一直致力于噪声问题的研究。
多年来，我国航空发动机试车台通常采用烧成半轻质粘土砖，它是由压砖机高压冲击成型，大于1200℃烧制而成，不但抗高温、耐高速气流的冲刷性能差，而且消音和防水化性能不佳，它已越来越不能满足航空工业的需要。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种航空发动机试车台用消音耐火预制件及制备方法。本发明制备的消音耐火预制件不但消音效果好，抗高温、高压、高速气流的冲刷和磨损，而且高温体积稳定，急冷急热性能优良，还能有效地防止水化。
本发明的技术方案：一种航空发动机试车台用消音耐火预制件，按照重量份计算，它由焦宝石65-85份、陶粒1-5份、结合剂10-20份、中温烧结剂3-8份、复合减水剂0-1份和水0-7份配制而成。
按照重量份计算，前述的焦宝石由以下几种组成: 粒径为5-3mm的焦宝石15-20份、粒径为3-1mm的焦宝石20-25份、粒径为1-0.5mm的焦宝石30-35份和粒径为0.088mm的焦宝石0-18份。
具体的说，前述航空发动机试车台用消音耐火预制件的原料组成可以是以下几种。
（1）按照重量份计算，所述焦宝石由粒径为5-3mm的焦宝石15-20份、粒径为3-1mm的焦宝石20-25份和粒径为1-0.5mm的焦宝石30-35份组成；陶粒粒径为1-0.5mm；结合剂为铝酸钙水泥；中温烧结剂为SiO
2
微粉、硼砂、黏土或膨润土；复合减水剂为多聚磷酸钠与β-萘磺酸盐甲醛缩合物各0.01-0.5份；水为6-7份。
（2）按照重量份计算，所述焦宝石由粒径为5-3mm的焦宝石15-20份、粒径为3-1mm的焦宝石20-25份、粒径为1-0.5mm的焦宝石30-35份和粒径为0.088mm的焦宝石10-18份组成；陶粒粒径为1-0.5mm；结合剂为酚醛树脂；中温烧结剂为SiO
2
微粉、硼砂、黏土或膨润土；复合减水剂和水的用量均为0。
（3）按照重量份计算，所述焦宝石由粒径为5-3mm的焦宝石15-20份、粒径为3-1mm的焦宝石20-25份、粒径为1-0.5mm的焦宝石30-35份和粒径为0.088mm的焦宝石10-18份组成；陶粒粒径为1-0.5mm；结合剂为水玻璃或磷酸盐；中温烧结剂为SiO
2
微粉、硼砂、黏土或膨润土；复合减水剂为多聚磷酸钠和β-萘磺酸盐甲醛缩合物各0-0.5份；水的用量为0。
前述航空发动机试车台用消音耐火预制件的制备方法为：按比例称取焦宝石、陶粒、结合剂、中温烧结剂、复合减水剂和水，混合搅拌、配制成泥料，经双面加压震动成型后，进行养护，再于650℃低温烧制而成。
航空发动机试车台用消音耐火预制件的具体制备方法之一为：按比例称取焦宝石、陶粒、结合剂、中温烧结剂、复合减水剂和水，首先将焦宝石、陶粒、结合剂、中温烧结剂和复合减水剂进行干混，再加入水搅拌、配制成泥料，泥料经双面加压震动成型后，自然养护24-48小时，再置于逐渐升温至650℃的装置中低温烧制而成。其中的水可分两次加入，先加水4.5%搅拌3min，再加水1.5-2.5%搅拌3min。
航空发动机试车台用消音耐火预制件的具体制备方法之二为：按比例称取粒径为5-3mm、3-1mm和1-0.5mm的焦宝石及陶粒，进行干混，添加3/4～6/7量的结合剂继续搅拌，再加入中温烧结剂和粒径为0.088mm的焦宝石搅拌，最后加入余下1/7～1/4量的结合剂搅拌成泥料，泥料经双面加压震动成型后，自然养护24-48小时，再置于逐渐升温至650℃的装置中低温烧制而成。
航空发动机试车台用消音耐火预制件的具体制备方法之三为：按比例称取焦宝石、陶粒、中温烧结剂和复合减水剂，进行干混，然后添加结合剂继续搅拌、配制成泥料，泥料经双面加压震动成型后，自然养护24-48小时，再置于逐渐升温至650℃的装置中低温烧制而成。
前述的制备方法中：双面加压震动时间为3-6min；配制泥料时的干混时间为1min；低温烧制的升温过程为：先以15℃/h的速度升温至150℃，保温36h；再以20℃/h的速度升温至350℃，保温24h；然后以30℃/h的速度升温至650℃，保温14h。
以下是申请人为完成本发明对原料物质所进行的研究及筛选结果。
焦宝石：焦宝石是本发明的消音耐火材料的主晶相，其主要成分为高岭土，经煅烧后的熟料呈白色、近白色或夹杂有淡黄色，化学性质稳定，遇水不分散，可塑性指数小于1，其理化指标应符合如下技术条件：
铝酸钙水泥：铝酸钙水泥是以天然铝矾土和石灰石矿按一定比例配合经煅烧而成，它为本发明的消音耐火材料提供结合强度，其化学成分及矿物组成主晶相应符合如下技术条件：
如若铝酸钙水泥结块需经化验合格后方可使用。
陶粒：本发明消音耐火材料在保证材料机械强度的前提下（一般应大于10Mpa）重点考虑消音效果，并在科学精细研究颗粒级配（尽可能地增加内部气孔或贯穿气孔）的同时加入1-5份的细碎陶粒能进一步提高消音效果，焙烧陶粒的颜色大多为暗红色、褐红色，内部结构特征呈细密蜂窝状微孔，其理化指标应符合如下技术条件：
SiO
2
微粉：在本发明的消音耐火材料中引入3-8份的SiO
2
微粉，当温度高于900℃时，SiO
2
微粉与铝酸盐水泥中的Al
2
O
3
反应逐步形成莫来石，产生体积膨胀抵消耐火材料的部分体积收缩，促进材料强度的提高，有效地改善了铝酸盐水泥结合的材料中温强度下降的弊端，同时SiO
2
微粉比表面积大（大于20m
2
/g）活性高，自发凝聚亦能增加材料的结合强度，其理化指标应符合如下技术条件：
减水剂：减水剂本身并不与浇注料中的组成物发生化学反应生成新的化合物，只是起着改变固-液界面的物理性能作用，减水剂溶于水后能吸附于粒子表面，提高溶液中粒子表面的￡电位，增大粒子间的排斥力，不但使粒子凝聚结构中包裹的游离水释放出来，降低用水量，而且使结合剂得到更均匀的分布，大大改善浇注体的性能，但加入量不宜过多，否则有反效果。本发明中采用多聚磷酸钠和β-萘磺酸盐甲醛缩合物复合加入，预制件的性能指标更佳。
本发明产品之所以能取得更好的消音效果，原因是当声波传递到本发明制备的消音耐火预制件时，声能的一部分被反射；一部分透过物体继续传播，噪音得以削弱；另一部分由于声音在预制件内部传播时介质的磨擦或热传导而被损耗，巨大的声波被吸收，减少了热尾气的排放从而减缓了地球的温室效应；另外当噪声撞击到预制件时，由于预制件本身“S”的形状导致波形紊乱，使声波产生叠加从而也消灭了部分噪音。
本发明人结合耐火材料理论和消音机理进行了大量的试验研究工作，充分利用我国的资源优势，以焦宝石为主要材料，科学配比，把有效填充空隙的0.5～0.088mm的小颗粒删掉，并引入部分多孔陶粒，使内部空隙达到最大化，有效地增加预制件中的显气孔、封闭气孔和贯穿气孔，这不但增大了高速气流与预制件的磨擦和碰撞，而且使高速气流在预制件的空隙内反复产生反射、折射、透射效应，达到使高速气流的声能转化为热能的效果，同时还可以将两个或多个声波叠加在一起，达到良好的消音目的；以水硬性材料铝酸盐水泥为结合剂，充分解决了水化问题；采用微量与分散技术，有效地避免了粒子间凝聚结构的形成，使结合剂的功能得以充分发挥，需水量降低，预制件的常、中、高温强度大幅度提高，抗冲刷性能得到改善；采用双面加压震动成型后，经650℃低温烧制而成。经过反复地试验，申请人最终成功地研发出了坚硬多孔、使大量声能转换成热能的消音耐火预制件。本发明制备的消音耐火预制件与传统的烧成半轻质粘土砖相比，性能得到很大提升，具体对照数据如下表。
与现有技术相比，本发明所制备的消音耐火预制件不但消音效果好，强度高，抗高温、高压、高速气流的冲刷和磨损，而且高温体积稳定，急冷急热性能优良，还能有效地防止水化。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的制备工艺流程图；
图2是本发明一种实施方式的低温烧制过程升温曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：准确称取粒径为5-3mm的焦宝石15g、粒径为3-1mm焦宝石25g、粒径为1-0.5mm焦宝石30g、粒径为1-0.5mm陶粒3g、结合剂（铝酸钙水泥）15g、中温烧结剂（SiO
2
微粉）7g、复合减水剂（多聚磷酸钠0.01g和β-萘磺酸盐甲醛缩合物0.01g）0.02g倒入搅拌机内干混，搅拌一分钟后加入4.5g的洁净水继续搅拌3分钟，最后加入2.5g的洁净水搅拌3分钟至泥料中没有干粉和硬泥团。30分钟内将搅拌好的泥料一次性加入已涂好脱模剂的钢模内，上面加上盖板放在双面加压的振动台上振动3min后，轻轻敲击模板以脱模，浇注体脱模后自然养护24h。养护好的预制体装在窑车上进行低温轻烧，烧制过程的升温曲线见附图2：以15℃/h的升温速度升温至150℃，在150℃下保温36小时，再以20℃/h的升温速度升温10小时后，在350℃保温24小时，继续以30℃/h升温速度升温10小时后，保持650℃保温24小时，然后经拣选即得消音耐火预制件。
实施例2：准确称取粒径为5-3mm焦宝石15g、粒径为3-1mm焦宝石22g、粒径为1-0.5mm焦宝石30g、粒径为1-0.5mm陶粒2g，倒入搅拌机内干混1分钟后加入结合剂（酚醛树脂）10g，搅拌5分钟再加入中温烧结剂（膨润土）4g、粒径为0.088mm焦宝石15g搅拌10分钟，再加入结合剂（酚醛树脂）2g搅拌5分钟至料中没有干粉和硬泥团。30分钟内将搅拌好的泥料一次性加入已涂好脱模剂的钢模内，上面加上盖板放在双面加压的振动台上振动4min后，轻轻敲击模板以脱模，浇注体脱模后自然养护36h。养护好的预制体装在窑车上进行低温轻烧，烧制过程的升温曲线见附图2：以15℃/h的升温速度升温至150℃，在150℃下保温36小时，再以20℃/h的升温速度升温10小时后，在350℃保温24小时，继续以30℃/h升温速度升温10小时后，保持650℃保温24小时，然后经拣选即得消音耐火预制件。
实施例3：准确称取粒径为5-3mm焦宝石17g、粒径为3-1mm焦宝石20g、粒径为1-0.5mm焦宝石30g、粒径为1-0.5mm陶粒1g倒入搅拌机内干混1分钟后加入结合剂（酚醛树脂）9g，搅拌5分钟，再加入中温烧结剂（硼砂）3g、粒径为0.088mm焦宝石18g搅拌10分钟，再加入结合剂（酚醛树脂）3g搅拌5分钟至料中没有干粉和硬泥团。搅拌均匀后的泥料加入已涂好脱模剂的钢模内，上面加上盖板放在双面加压的振动台上振动5min后，轻轻敲击模板以脱模，浇注体脱模后自然养护48h。养护好的预制体装在窑车上进行低温轻烧，烧制过程的升温曲线见附图2：以15℃/h的升温速度升温至150℃，在150℃下保温36小时，再以20℃/h的升温速度升温10小时后，在350℃保温24小时，继续以30℃/h升温速度升温10小时后，保持650℃保温24小时，然后经拣选即得消音耐火预制件。
实施例4：准确称取粒径为5-3mm焦宝石20g、粒径为3-1mm焦宝石25g、粒径为1-0.5mm焦宝石35g、粒径为1-0.5mm陶粒1g、结合剂（铝酸钙水泥）10g、中温烧结剂（SiO
2
微粉）3g、复合减水剂（多聚磷酸钠0.01g和β-萘磺酸盐甲醛缩合物0.01g）0.02g倒入搅拌机内干混，然后加入5.98mL水搅拌、配制成泥料，将泥料加入钢模内，经双面加压振动成型后，自然养护30h，再置于逐渐升温至650℃的窑车中低温烧制，拣选，即得消音耐火预制件。
实施例5：准确称取粒径为5-3mm焦宝石15g、粒径为3-1mm焦宝石20g、粒径为1-0.5mm焦宝石30g、粒径为1-0.5mm陶粒3g倒入搅拌机内干混，加入9g结合剂（水玻璃）搅拌3分钟，再加入、粒径为0.088mm焦宝石16g、中温烧结剂（硼砂）3g、结合剂（水玻璃）3g搅拌成泥料。将搅拌好的泥料一次性加入已涂好脱模剂的钢模内，上面加上盖板放在双面加压的振动台上振动3min后，轻轻敲击模板以脱模，浇注体脱模后自然养护24h。养护好的预制体装在窑车上进行低温轻烧，烧制过程的升温曲线见附图2：以15℃/h的升温速度升温至150℃，在150℃下保温36小时，再以20℃/h的升温速度升温10小时后，在350℃保温24小时，继续以30℃/h升温速度升温10小时后，保持650℃保温24小时，然后经拣选即得消音耐火预制件。
实施例6：准确称取粒径为5-3mm焦宝石16g、粒径为3-1mm焦宝石22g、粒径为1-0.5mm焦宝石31g、粒径为1-0.5mm陶粒3g、粒径为0.088mm的焦宝石16g、中温烧结剂（黏土）3g倒入搅拌机内干混，搅拌一分钟后加入10g的结合剂（水玻璃）继续搅拌至泥料中没有干粉和硬泥团。30分钟内将搅拌好的泥料一次性加入已涂好脱模剂的钢模内，上面加上盖板放在双面加压的振动台上振动3min后，轻轻敲击模板以脱模，浇注体脱模后自然养护24h。养护好的预制体装在窑车上进行低温轻烧，烧制过程的升温曲线见附图2：以15℃/h的升温速度升温至150℃，在150℃下保温36小时，再以20℃/h的升温速度升温10小时后，在350℃保温24小时，继续以30℃/h升温速度升温10小时后，保持650℃保温24小时，然后经拣选即得消音耐火预制件。
实施例7：准确称取粒径为5-3mm焦宝石18g、粒径为3-1mm焦宝石20g、粒径为1-0.5mm焦宝石32g、粒径为1-0.5mm陶粒1g倒入搅拌机内干混，搅拌一分钟后加入8.5g的结合剂（磷酸盐）继续搅拌3分钟，然后加入粒径为0.088mm的焦宝石14g，中温烧结剂（黏土）4g 搅拌，最后加入结合剂（磷酸盐）1.5g搅拌3分钟至泥料中没有干粉和硬泥团。30分钟内将搅拌好的泥料一次性加入已涂好脱模剂的钢模内，上面加上盖板放在双面加压的振动台上振动4min后，轻轻敲击模板以脱模，浇注体脱模后自然养护36h。养护好的预制体装在窑车上进行低温轻烧，烧制过程的升温曲线见附图2：以15℃/h的升温速度升温至150℃，在150℃下保温36小时，再以20℃/h的升温速度升温10小时后，在350℃保温24小时，继续以30℃/h升温速度升温10小时后，保持650℃保温24小时，然后经拣选即得消音耐火预制件。
实施例8：准确称取粒径为5-3mm焦宝石15g、粒径为3-1mm焦宝石20g、粒径为1-0.5mm焦宝石30g、粒径为1-0.5mm陶粒5g、粒径为0.088mm焦宝石13g、中温烧结剂（膨润土）5g、复合减水剂（三聚磷酸钠、磺化三聚氰胺甲醛树脂和聚丙烯酸钠各0.2g）0.6g倒入搅拌机内干混，然后加入结合剂（磷酸盐）11.4g搅拌、配制成泥料，将泥料加入钢模内，经双面加压振动成型后，自然养护30h，再置于逐渐升温至650℃的窑车中低温烧制，拣选，即得消音耐火预制件。
Claims (7)
1.一种航空发动机试车台用消音耐火预制件，其特征在于：按照重量份计算，它由如下材料配制而成：焦宝石，由粒径为5-3mm的焦宝石15-20份、粒径为3-1mm的焦宝石20-25份和粒径为1-0.5mm的焦宝石30-35份组成；陶粒1-5份，粒径为1-0.5mm；结合剂10-20份，为铝酸钙水泥；中温烧结剂3-8份，为SiO2微粉、硼砂或黏土；复合减水剂，为多聚磷酸钠与β-萘磺酸盐甲醛缩合物各0.01-0.5份；水6-7份。
2.一种航空发动机试车台用消音耐火预制件，其特征在于：按照重量份计算，它由如下材料配制而成：焦宝石，由粒径为5-3mm的焦宝石15-20份、粒径为3-1mm的焦宝石20-25份、粒径为1-0.5mm的焦宝石30-35份和粒径为0.088mm的焦宝石10-18份组成；陶粒1-5份，粒径为1-0.5mm；结合剂10-20份，为酚醛树脂；中温烧结剂3-8份，为SiO2微粉、硼砂或黏土；复合减水剂和水，用量均为0。
3.一种航空发动机试车台用消音耐火预制件，其特征在于：按照重量份计算，它由如下材料配制而成：焦宝石，由粒径为5-3mm的焦宝石15-20份、粒径为3-1mm的焦宝石20-25份、粒径为1-0.5mm的焦宝石30-35份和粒径为0.088mm的焦宝石10-18份组成；陶粒1-5份，粒径为1-0.5mm；结合剂10-20份，为水玻璃或磷酸盐；中温烧结剂3-8份，为SiO2微粉、硼砂或黏土；复合减水剂，为多聚磷酸钠和β-萘磺酸盐甲醛缩合物各0-0.5份；水，用量为0。
4.如权利要求1所述的航空发动机试车台用消音耐火预制件的制备方法，其特征在于：按比例称取焦宝石、陶粒、结合剂、中温烧结剂、复合减水剂和水，首先将焦宝石、陶粒、结合剂、中温烧结剂和复合减水剂进行干混，再加入水搅拌、配制成泥料，泥料经双面加压震动成型后，自然养护24-48小时，再置于逐渐升温至650℃的装置中低温烧制而成。
5.如权利要求2或3所述的航空发动机试车台用消音耐火预制件的制备方法，其特征在于：按比例称取粒径为5-3mm、3-1mm和1-0.5mm的焦宝石及陶粒，进行干混，添加3/4～6/7量的结合剂继续搅拌，再加入中温烧结剂和粒径为0.088mm的焦宝石搅拌，最后加入余下1/7～1/4量的结合剂搅拌成泥料，泥料经双面加压震动成型后，自然养护24-48小时，再置于逐渐升温至650℃的装置中低温烧制而成。
6.如权利要求3所述的航空发动机试车台用消音耐火预制件的制备方法，其特征在于：按比例称取焦宝石、陶粒、中温烧结剂和复合减水剂，进行干混，然后添加结合剂继续搅拌、配制成泥料，泥料经双面加压震动成型后，自然养护24-48小时，再置于逐渐升温至650℃的装置中低温烧制而成。
7.根据权利要求4、5或6所述的航空发动机试车台用消音耐火预制件的制备方法，其特征在于：双面加压震动时间为3-6min；配制泥料时的干混时间为1min；低温烧制的升温过程为：先以15℃/h的速度升温至150℃，保温36h；再以20℃/h的速度升温至350℃，保温24h；然后以30℃/h的速度升温至650℃，保温14h。
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