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碳化硅澆注料是以碳化硅(SiC)為主要骨料和基質(zhì)的高性能耐火澆注料,因 SiC 本身具有極高的導(dǎo)熱性(純 SiC 單晶導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá) 200-490 W/(m?K)),其導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于剛玉、莫來石等氧化物澆注料。其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律由晶格傳導(dǎo)(聲子傳熱) 和輻射傳熱共同主導(dǎo),整體呈現(xiàn) “低溫略降、高溫陡升” 的特征,具體可分以下區(qū)間分析:
一、低溫至中溫區(qū)間(常溫~1000℃):導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高略有下降或基本穩(wěn)定
在常溫(25℃)至 1000℃范圍內(nèi),碳化硅澆注料的導(dǎo)熱以晶格振動(dòng)(聲子傳導(dǎo)) 為主,輻射傳熱貢獻(xiàn)較弱,因此導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高呈小幅下降趨勢,具體表現(xiàn)為:
常溫下:碳化硅澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于 SiC 含量和氣孔率:
高 SiC 含量(如 SiC 占比 > 70%)、低氣孔率(<15%)的澆注料,常溫導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)10-20 W/(m·K);
中低 SiC 含量(30%-70%)、中等氣孔率(15%-25%)的澆注料,導(dǎo)熱系數(shù)多為5-10 W/(m·K);
輕質(zhì)碳化硅澆注料(含大量氣孔,SiC 占比 <50%),導(dǎo)熱系數(shù)可降至 3-5 W/(m?K)。
中溫(300-1000℃):隨溫度升高,SiC 晶格振動(dòng)加劇導(dǎo)致聲子散射增強(qiáng),晶格導(dǎo)熱能力略有下降;同時(shí),氣孔中氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高小幅上升(氣體分子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)),部分抵消晶格導(dǎo)熱的下降。因此,整體導(dǎo)熱系數(shù)可能小幅下降(如從常溫 20 W/(m?K) 降至 1000℃時(shí)的 18 W/(m?K)),或保持基本穩(wěn)定,波動(dòng)幅度通常在 ±2 W/(m?K) 以內(nèi)。
二、高溫區(qū)間(>1000℃):導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高顯著增大
當(dāng)溫度超過 1000℃后,輻射傳熱成為主導(dǎo)機(jī)制之一,且 SiC 對高溫?zé)彷椛洌t外波段)的吸收與再輻射能力極強(qiáng),導(dǎo)致整體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而快速增大,具體原因如下:
SiC 的紅外發(fā)射率(高溫下可達(dá) 0.8-0.9)遠(yuǎn)高于剛玉(Al?O?約 0.6-0.7),高溫下顆粒間的輻射傳熱效率更高,熱量可通過 “輻射鏈” 快速傳遞;
高溫下澆注料中的結(jié)合劑(如硅微粉、鋁酸鹽水泥)可能發(fā)生燒結(jié),減少開口氣孔率,降低氣孔對輻射的 “散射阻隔” 作用,進(jìn)一步促進(jìn)輻射傳熱;
若存在 SiC 氧化生成的 SiO?薄膜(通常因添加抗氧化劑而極?。?,其對輻射的阻礙較弱,不足以抵消整體輻射傳熱的增強(qiáng)。
實(shí)際數(shù)據(jù)顯示:1200℃時(shí),高 SiC 澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)可升至 25-30 W/(m?K);1500℃時(shí)可達(dá) 35-45 W/(m?K);1600℃以上(接近 SiC 的使用上限),導(dǎo)熱系數(shù)可能突破 50 W/(m?K),且溫度每升高 100℃,增幅可達(dá) 5-10 W/(m?K),遠(yuǎn)高于剛玉澆注料的高溫增幅。
三、關(guān)鍵影響因素:SiC 含量與氣孔結(jié)構(gòu)
碳化硅澆注料的導(dǎo)熱 - 溫度關(guān)系受其微觀結(jié)構(gòu)影響顯著,核心因素包括:
SiC 含量:
SiC 是主要的導(dǎo)熱相,含量越高,晶格傳導(dǎo)和輻射傳熱的基礎(chǔ)越強(qiáng)。例如:SiC 含量 80% 的澆注料(容重 3.0 g/cm³)在 1000℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)約 20 W/(m?K),而 SiC 含量 50% 的同容重澆注料可能僅為 10-12 W/(m?K),且高溫增幅也隨 SiC 含量降低而減弱。
氣孔率與氣孔類型:
氣孔率越高,導(dǎo)熱系數(shù)越低(無論溫度)。例如:高氣孔率(>25%)的輕質(zhì)碳化硅澆注料在 1500℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)可能僅 10-15 W/(m?K),遠(yuǎn)低于致密型產(chǎn)品;
閉口氣孔對輻射傳熱的阻礙強(qiáng)于開口氣孔,因此相同氣孔率下,閉口氣孔占比高的澆注料,高溫導(dǎo)熱系數(shù)增幅更小。





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