摘要
摘要
面对工业炉窑日益严峻的节能减排问题，开发替代传统所用的工业炉窑炉体材料
可以在很大程度上实现能耗的节约。传统所用的炉体材料气孔率较低，保温性能较差，
使用寿命短，需要一种高孔隙率兼具保温及优异高温性能的多孔材料替代传统炉体材
料，实现工业炉窑节能减排。本论文针对这一问题，以固体废弃物煤矸石为原料、采
用微波发泡法制备高孔隙率多孔煤矸石基地质聚合物作为多孔陶瓷的前驱体，经高温
烧结后得到多孔陶瓷材料，考察多孔陶瓷的强度、密度、孔隙率、高温热稳定性及热
震稳定性。
针对煤矸石本身活性差、胶凝能力弱、发泡难度大的问题，采用微波发泡法成功
制备了高孔隙率(80%)的煤矸石基多孔地质聚合物。通过在两种体系下(钠基、钾基)
碱激发剂浓度及微波养护工艺对多孔煤矸石基地质聚合物的性能影响研究可知，碱激
发剂浓度及微波养护工艺影响了地质聚合/碱激发反应的程度以及微波在地质聚合物中
+
的发泡能力。综合比较下，Na激发时NaOH最佳浓度为9.4mol/L，样品的体积密度为
3+
0.37g/cm、总孔隙率为86.01%、抗压强度为1.36MPa。K激发时KOH最佳浓度为8.2
3
mol/L，样品的体积密度为0.44g/cm、总孔隙率为83.21%、抗压强度为0.96MPa。微
波功率相同时(700W)，养护工艺为中火模式5min时发泡过程更易控制，高火模式5
min时微波发泡能力更强。此外，研究发现铝矾土是替代氧化铝粉末作为额外铝源调节
前驱体中硅铝比的理想材料。铝矾土在基体中以刚玉相的形式存在，并且对孔隙结构
影响较小，但体积密度及抗压强度得到大幅度提升。
通过微波对煤矸石基地质聚合物材料体系作用行为的研究，阐述了微波煤矸石基
地质聚合物微波发泡机制。在微波发泡过程中，地质聚合物浆料中水分子会不停的振
动摩擦使得材料中的分子动能有所提高，浆料短时间内温度升高，使浆料中的水发生
汽化变成水蒸气在浆料中形成气泡。另一方面，温度升高促进了原始铝硅酸盐材料(煤
矸石)与碱激发剂反应，使得地质聚合物基质从液体转变为固体。微波发泡时上述两个
过程的发生时间相互匹配，地质聚合物浆料在短时间内膨胀并凝固形成多孔材料。
设计了钠基地质聚合物、钾基地质聚合物、铝矾土/煤矸石基地质聚合物的高温烧
结方案，研究了烧结温度、铝矾土含量对多孔材料孔结构、性能及物相的影响。结果
显示，微波发泡的煤矸石基多孔地质聚合物经过适宜的高温处理后能够直接原位转变
I
哈尔滨工程大学博士学位论文
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成多孔陶瓷基材料。采用Na激发的多孔地质聚合物在高温烧结过程中重量损失较低，
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在900℃下原位转化为多孔钠长石/霞石基陶瓷。采用K激发的地质聚合物在高温煅烧
过程中表现出更为优异的尺寸稳定性，在1100℃下得到了抗压强度为前驱体两倍的多
孔钾长石/白榴石基陶瓷。添加铝矾土后的煤矸石基地质聚合物进行离子交换后，钠离
子得以从前驱体中全部去除。离子交换后的样品进行高温烧结后发现铝矾土添加30g
(32.1%)、烧结温度为1400℃时，方石英主峰基本消失，样品中莫来石含量最高，得
到刚玉/莫来石多孔陶瓷。通过前驱体在高温烧结过程中热演变过程及物相演变过程的
可知，莫来石陶瓷前驱体中石英在1100℃时完全转变为方石英，方石英在1200℃~
1400℃与刚玉发生反应生成莫来石，反应在1400℃几乎完成。
综合考察了高温烧结的钠长石/霞石基多孔陶瓷、钾长石/白榴石基多孔陶瓷以及刚
玉/莫来石多孔陶瓷的热稳定性及热震稳定性。研究表明钠长石/霞石基多孔陶瓷由于钠
离子的大量存在，在高温下易熔融形成玻璃相，因此其高温稳定性及热震稳定性均较
差。钾长石/白榴石基多孔陶瓷在1400℃下孔隙率达80