CN102503499A - 一种供热系统无机非金属复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种供热系统无机非金属复合材料及其制备方法，该无机非金属复合材料由以下重量百分比的组分构成：复合增强体15～30%、复合基体70～85%、无机抗氧剂0～3%；所述复合增强体由至少两种不同的短切无机纤维和至少一种无机颗粒复合而成；无机纤维与无机颗粒的重量比为1:1.5-3.0；所述复合基体由无机基体或聚合物复合而成。本发明还包括供热系统无机非金属复合材料之制备方法。本发明之供热系统无机非金属复合材料，强度高，耐高温、耐腐蚀、导热性好，用于烟叶烘烤供热系统中，可节约燃料，改善烤房环境，提高烟叶质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种无机非金属复合材料及其制备方法，尤其是涉及一种用于供热系统的无机非金属复合材料及其制备方法。
背景技术
在当前烟叶烤房供热系统中，炉体和换热器使用的材料多为金属和陶瓷（如北京富尔维纳公司生产的刚玉），金属力学性能较好，导热系数较大，但不耐腐蚀，使用寿命不到三年，且锈垢严重，经常堵塞管道，影响燃烧与换热，还须经常清灰；陶瓷耐腐蚀性较好，但导热性能很差，严重影响换热，且性脆，极易损坏。2008年前后，河南、山东曾使用过用抄取法生产的以石棉或亚纶纤维增强的水泥管，但强度差，又不耐高温，2009年即退出烘烤市场。2009年由福建广达开发，福建和湖南使用过一段时间的钢结网增强的水泥管，用离心法制管，金属连接管壁厚达2cm以上，重量大，导热性不佳，机械强度差，易碎成粉体，耐腐蚀性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有材料的不足，提供一种强度高，耐高温、耐腐蚀、导热性好的供热系统无机非金属复合材料及其制备方法。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：
本发明之供热系统无机非金属复合材料，由以下重量百分比的组分构成：复合增强体（也称功能体系分散相）15～30%、复合基体（也称连续相）70～85%、无机抗氧剂0～3%；
所述复合增强体由至少两种不同的短切无机纤维和至少一种无机颗粒复合而成；无机纤维与无机颗粒的重量比为1:1.5-3.0；
所述无机纤维优选玻璃纤维、石棉纤维、碳纤维、碳化硅纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、莫来石纤维、晶须中的至少两种。
所述无机颗粒优选碳化硅（SiC）、铝矾土、石墨中的至少一种。
所述复合基体优选铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐水泥、碳素体、镁质凝胶材料、石墨、炭黑中的至少两种的混合物，配比不限。
进一步，所述短切无机纤维为长度≤5mm的短切无机纤维。
进一步，所述无机纤维与无机颗粒的重量比为1:2。
进一步，由镁质凝胶材料组成的复合基体中，优选重量比为MgO:MgCl2＝1:4～6。
进一步，所述无机抗氧剂为选自Ta2O5、NbO2、SiO2中的一种或几种的混合物，优选表面有B4C涂层的Ta2O5、NbO2、SiO2。
本发明之供热系统无机非金属复合材料的制备方法是：将所述复合增强体与所述复合基体、无机抗氧剂置于搅拌机中，搅拌均匀，制成预混料；再加相当于复合增强体、复合基体、无机抗氧剂重量之和18-20%的水，用真空热压法、真空离心法或真空振动成型法制成所需构件（圆管、管件或其它构件）。
进一步，在所述供热系统无机非金属复合材料的表面，还复合有B4C无机抗氧剂涂层，以进一步增强抗氧化能力。
本发明之供热系统无机非金属复合材料，存在多种单元界面，单元界面是由基体、基体与增强体相互渗透层、增强体表面层、基体表面层、增强体五个层面组成，以及由多种基体和多种增强体以及它们各自的表面层和它们之间互相渗透层组成的复合界面。
复合界面形成方式，可分为机械结合、静电作用、界面扩散和界面反应四种方式，本发明之供热系统无机非金属复合材料几乎具备此四种形成方式，故界面的传递效应、阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应、诱导效应等都有所增强，使材料的力学、热疲劳等性能得以提高。
本发明之无机非金属复合材料，导热系数≥3.2W/m·℃，显气孔率≤30%，耐腐性比一般金属（如碳钢）高5.3倍，热疲劳750℃（热疲劳的测试条件：将材料加热到750℃，再置冷水中，再加热到750℃，再置入冷水中，如此反复循环10次）无裂纹。用于烟叶烘烤供热系统中，可节约燃料，改善烤房环境，提高烟叶质量。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例之供热系统无机非金属复合材料由以下重量百分比的组分构成：复合增强体15%，复合基体85%；
所述复合增强体是短切C纤维、SiC纤维、SiC粉体的复合物，其中C纤维、SiC纤维与SiC粉体重量百分比为1:2:6。所述复合基体是铝酸钙、石墨的复合物，其中铝酸钙与石墨的重量比为5:1。
制备方法：将所述复合增强体与所述复合基体、无机抗氧剂置于搅拌机中，搅拌均匀（搅拌速度120RPM），制成预混料，再加相当于复合增强体、复合基体重量之和20%的水，用真空热压法（真空度10-3Pa，热压温度200℃），热压压力20Mpa）制成所需构件。
本实施例之供热系统无机非金属复合材料，导热系数按照GB/T10295规定方法测试，热疲劳的测试条件：将材料加热到750℃，再置冷水中，再加热到750℃，再置于冷水中，如此反复循环10次。国标规定：导热系数≥2.5W/m·K，热疲劳性能须满足750℃高温10次无明显裂痕。
本实施例之供热系统无机非金属复合材料，导热系数为3.5W/m·℃，显气孔率28%，耐腐蚀性比碳钢高5.4倍，热疲劳为750℃无裂纹。符合国标规定。
实施例2
本实施例之供热系统无机非金属复合材料，由以下重量百分比的组分构成：复合增强体20%，复合基体80%。
所述复合增强体是短切氧化铝纤维（A）与短切硼纤维（B）及石墨粉体（C）的复合物，其中A:B:C的重量比为1:1:4；所述复合基体由硅酸盐水泥与镁质凝胶材料组成（硅酸盐水泥与镁质凝胶材料重量百分比选用1:1；镁质凝胶材料组成重量比为MgO:MgCl2＝1:5）。
制备方法：将所述复合增强体与所述复合基体、无机抗氧剂置于搅拌机中，搅拌均匀（搅拌速度120RPM），制成预混料，再加相当于复合增强体、复合基体重量之和20%的水，用真空离心法（10-3Pa,主轴转速120RPM）制作成圆管及管件。外表面涂刷无机抗氧剂B4C涂层。
本实施例之供热系统无机非金属复合材料，导热系数按照GB/T10295规定方法测试，热疲劳的测试条件：将材料加热到750℃，再置冷水中，再加热到750℃，再置入冷水中，如此反复循环10次。国标规定：导热系数≥2.5W/m·K，热疲劳性能须满足750℃高温10次无明显裂痕。
本实施例之供热系统无机非金属复合材料的制备方法，导热系数为3.4W/m·℃，显气孔率29%，耐腐性比碳钢高5.3倍，热疲劳为750℃无裂纹。符合国标规定。
实施例3
本实施例之供热系统无机非金属复合材料，由以下重量百分比组分构成：复合增强体25%，复合基体72%，无机抗氧剂为表面有B4C涂层的Ta2O53%；所述复合增强体是短切莫来石纤维、短切硅酸铝纤维（S）、铝矾土的复合体，其C、S和铝矾土重量比为1:2:6；所述复合基体是由三聚磷酸铝（AlH2P3O10）和炭黑组成，其重量比为2:1。
制备方法：将所述复合增强体与所述复合基体、无机抗氧剂置于搅拌机中，搅拌均匀（搅拌速度120RPM），制成预混料，再加相当于复合增强体、复合基体、无机抗氧剂重量之和20%的水，用真空振动成型法（10-3Pa，振动频率15HZ）制作成炉体材料。表面涂刷无机抗氧剂B4C涂层。
本实施例之供热系统无机非金属复合材料，导热系数按照GB/T10295规定方法测试，热疲劳的测试条件：将材料加热到750℃，再置冷水中，再加热到750℃，再置入冷水中，如此反复循环10次。国标规定：导热系数≥2.5W/m·K，热疲劳性能须满足750℃高温10次无明显裂痕。
本实施例之供热系统无机非金属复合材料，导热系数为3.6W/m·℃，显气孔率27%，耐腐性比碳钢高5.2倍，热疲劳为750℃无裂纹。符合国标规定。
Claims (9)
1.一种供热系统无机非金属复合材料，其特征在于，由以下重量百分比的组分构成：复合增强体15～30%、复合基体70～85%、无机抗氧剂0～3%；
所述复合增强体由至少两种不同的短切无机纤维和至少一种无机颗粒复合而成；无机纤维与无机颗粒的重量比为1:1.5-3.0；
所述复合基体为铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐、碳素体、镁质凝胶材料、石墨、炭黑中的至少两种的混合物。
2.根据权利要求1所述的供热系统无机非金属复合材料，其特征在于，所述复合增强体中，短切无机纤维与无机颗粒的重量比为1:2。
3.根据权利要求1或2所述的供热系统无机非金属复合材料，其特征在于，所述无机纤维为玻璃纤维、石棉纤维、碳纤维、碳化硅纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、莫来石纤维、晶须中的至少两种；所述无机颗粒为碳化硅、铝矾土、石墨中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的供热系统无机非金属复合材料，其特征在于，所述短切无机纤维为长度≤5mm的短切无机纤维。
5.根据权利要求1或2所述的供热系统无机非金属复合材料，其特征在于，由镁质凝胶材料组成的复合基体中，MgO与MgCl2的重量比为1:4～6。
6.根据权利要求1或2所述的供热系统无机非金属复合材料，其特征在于，所述无机抗氧剂为Ta2O5、NbO2、SiO2、B4C中的一种或几种。
7.一种如权利要求1所述的供热系统无机非金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述复合增强体与所述复合基体、无机抗氧剂置于搅拌机中，搅拌均匀，制成预混料，再加相当于复合增强体与复合基体重量之和18-22%的水，用真空热压法、真空离心法或真空振动成型法制成所需构件。
8.如权利要求7所述的供热系统无机非金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述构件为圆管或管件。
9.一种供热系统无机非金属复合材料，其特征在于，在权利要求1所述供热系统无机非金属复合材料的表面还复合有B4C无机抗氧剂涂层。
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