Плиты теплоизоляционные на основе базальтовых пород: Плиты теплоизоляционные на базальтовой основе: характеристики, крепление

Рисунок 2: Сортировка.

Общая пористость охватывает все пустоты, включая те поры, которые связаны с поверхностью образца, а также те, которые закрыты естественным цементом или другими препятствиями.Таким образом, общая пористость (ϕ _T ) составляет

, где Vol _G — это объем зерен (и цемента, если таковой имеется), а Vol _B — общий объемный объем. В качестве альтернативы можно рассчитать ϕ _T из измеренных плотностей основной породы и (моно) минерального компонента. Таким образом,

, где ρ _B — плотность насыпной породы, а ρ _G — плотность зерен ( т.е., минерал, если состав мономинералогичный и однородный). Например, если песчаник имеет ρ _B 2,38 грамма на кубический сантиметр (г / см ³ ) и состоит из зерен кварца (SiO ₂ ) с ρ _G 2,65 г. / см ³ , общая пористость составляет

Кажущаяся (эффективная, или чистая) пористость — это доля пустот, которая исключает закрытые поры. Таким образом, он измеряет объем пор, который эффективно взаимосвязан и доступен для поверхности образца, что важно при рассмотрении хранения и движения подземных флюидов, таких как нефть, грунтовые воды или загрязненные флюиды.

Исследование базальтовых стекол как высокотемпературных Теплоаккумулирующие материалы

2.1. Состав и структурный анализ

Химический состав базальтовых стекол анализировали с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра. (XRF), и молярные проценты основного компонента стекол представлены в таблице 1. Можно заметить, что кремнезем является преобладающим компонентом три образца, которые действуют как формирователь стеклянной сети, и основной Сетевой каркас стеклянной системы формируется в тетраэдре [SiO ₄ ].По сравнению с обычными стеклами и рудами базальты содержат больше оксида железа (4-7 мол.%), что будет иметь большое влияние от теплофизических свойств, таких как температура кристаллизации и вязкость. ^24,25 Среди исследованных образцов содержание глинозема в сетчатом промежуточном продукте изменялось слабо. Глинозем может соединяться со свободным кислородом в стекле для участия в формировании сети используется четырехкоординатная [AlO ₄ ], играющая роль сетевой компенсации.Он также войдет зазор стеклянной сетки в виде шестикоординатной [AlO ₆ ]. Кроме того, небольшое количество оксидов щелочных металлов и оксиды щелочноземельных металлов включены, и слабые изменения в этих компоненты также оказывают существенное влияние на структуру и свойства образца.

Таблица 1

Химический состав базальтовых стекол (мол.%)

Состояние промежуточного звена сети стекла Al ₂ O ₃ в системе стекла определяется величиной свободного кислорода, обеспечиваемого щелочными и щелочноземельными металлами оксида, и 1 моль свободного кислорода можно использовать для 1 моля Al ₂ O ₃ с образованием [AlO ₄ ]. Количество бесплатных кислород можно рассчитать по формуле 1

1

N _{свободный кислород} представляет количество свободного кислорода, K _i представляет собой коэффициент подачи кислорода оксида, как указано в таблице 2, и M _i представляет собой мольную долю оксида. ²⁶ Согласно уравнению 1, содержание свободного кислорода в трех стеклянных системах BG-1, BG-2 и BG-3 составляли 10,32, 9,93 и 13,07 мол.% Соответственно. За исключением того, что количество свободного кислорода БГ-1 несколько меньше. чем у Al ₂ O ₃ (10,72 мол.%), остальные выше, чем содержание Al ₂ O ₃ соответствующих системы. Следовательно, Al ₂ O ₃ во всех трех стеклах можно рассматривать как состоящие из тетраэдров [AlO ₄ ] участвуя в сети, и он функционирует как формирователь сети.В зависимости от основной теории строения расплава силикатного стекла, тетраэдры ²⁷ [SiO ₄ ] и [AlO ₄ ] образуют сложную трехмерную сетевую структуру, разделяя кислород ионы и соединительные уголки и вершины. ²⁸ Чем выше их содержание, тем выше степень полимеризации стекло. ^22,29 Следовательно, по составу из трех видов базальтового стекла можно предварительно вывести что структурная стабильность трех видов базальтового стекла снижается в свою очередь, что подтверждается последующими испытаниями.

Таблица 2

Кислород Коэффициент предложения различных оксидов

Инфракрасный представлены спектры базальтовых руд и стекол, в которых волновое число колеблется от 500 до 4000 см ^–1 .Маленькое плечо на 550 см ^–1 можно отнести к Si – O – Al изгибные колебания тетраэдров [SiO ₄ ] и [AlO ₄ ] структурные подразделения. ^30,31 Полоса, наблюдаемая на отметке 699 см ^–1 обусловлено валентным колебанием Al – O тетраэдра [AlO ₄ ]. ^31,32 Фурье Трансформируемые инфракрасные (FTIR) спектры демонстрируют слабые пики при 743 и 780 см ^–1 , что можно отнести к Si – O – Si симметричное валентное колебание и валентное колебание Si – Si. ³² Широкополосная связь наблюдается между 850 и 1250 годами. см ^–1 связано с асимметричным валентным колебанием связей Si – O – Si, Si – O – Al и Si – O. ³⁰ Пик около 1020 см ^–1 равен отнесены к тетраэдру [SiO ₄ ] и немостиковому кислороду вибрация атома. ³³ Можно сделать вывод, что сетчатые скелеты базальтовых руд и стекол в основном сложены тетраэдра [SiO ₄ ] и тетраэдра [AlO ₄ ], что также подтверждает надежность расчета конструкции. тип.Слабые пики, которые появляются при 1450, 1640 и 1730 см. ^–1 , относятся к изгибному колебанию H – O – H адсорбирующего вода. ^34,35 Очевидно, эти пики базальтовых стекол ослабевают или даже исчезают, указывая на то, что содержание адсорбированного вода значительно уменьшается после плавления базальтовых руд. В пик около 3430 см ^–1 объясняется наличием гидроксильных групп силанола: деформация Si – OH и растяжение вибрация, ^35,36 где пики базальтовых стекол значительно ослабляется, что свидетельствует об уменьшении содержания Si – OH.

ИК спектры базальтов и базальтовые стекла при комнатной температуре.

2.2. Теплофизические характеристики

2.2.1. Тепловой Стабильность

Твердые теплоаккумулирующие материалы не должны таять в работе диапазон температур. Анализ термической стабильности имеет решающее значение для оценки производительность хранения тепла, чтобы предсказать соответствующую работу температура материалов, аккумулирующих тепло, и возможные физические и химические реакции во время теплового цикла.В этой работе термогравиметрия (ТГ) — анализ базальтов методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). и стекол проводилось в интервале температур 40–1200 ° С. ° C и три цикла нагрева / охлаждения были выполнены при температуре скорость изменения 20 ° C / мин для оценки сопротивления термоциклированию. a – c отображает кривые ТГ трех циклов нагрева – охлаждения базальтов. Это можно заметить, что три образца имеют очевидную потерю массы во время первый процесс нагрева и скорость потери массы составляет около 1.91, 5.18, и 2,04%, соответственно, с образцом Б-2, имеющим наибольшую потерю массы.

ТГ кривые базальты и базальтовое стекло: а — Б-1, б — Б-2, (c) B-3 и (d) BG-1.

а показывает кривые ДСК анализа базальтов, скорость нагрева которых составляет 20 ° C / мин. В сочетании с анализом ТГ – ДСК три образца такая же реакция возникает при первом нагревании. Ниже 200 ° C потеря массы объясняется утечкой адсорбированной воды, а образец Б-2 имеет более высокое содержание адсорбированной воды около 1.7%. При 200–800 ° С из-за разложения реакция силанола, новых связей Si – O – Si и молекул воды производятся. ³⁷ Молекулы воды инкапсулированы в закрытых порах сетчатого каркаса давление пара увеличивается с повышением температуры, и напряжение вызывает внутреннюю атомную скрепляет разрыв, что затем приводит к возникновению трещин. ¹⁸ Руды можно рассматривать как поликристаллы, состоящие из различных минеральных фаз. На каждой ДСК есть эндотермический пик. кривая при температуре около 580 ° C, что является преобразованием кварца фаза от α до β. ¹⁷ Должен чем выше содержание кварца в Б-1, тем острее форма пика, и формы пиков B-2 и B-3 постепенно расширяются. Тем не мение, из-за большого коэффициента теплового расширения β-кварца, в процессе нагрева порода будет трескаться, что ограничивает ее рабочая температура. ³⁸ Утечка воды молекулы из-за разложения силанола и фазового перехода кварц вызовет разрушение материала. Для поддержания высокой температуры производительность хранения и длительный срок службы, идеальный максимальный рабочий Температура этих базальтов составляет всего 500 ° C.Стоит отметить этот образец B-2 имеет дополнительный эндотермический пик на кривой ДСК от 700 до 800 ° C. Это может быть превращение оливина фаза в гематит (Fe ₂ O ₃ ). ³⁹ Из-за высокого содержания Fe в B-2 этот пик более очевидно.

ДСК анализ: а — базальт. руды и (б) базальтовые стекла.

Напротив, три образца стекла показали почти нет потери массы в течение трех циклов, как показано в d для кривой ТГ BG-1 (два других стакана имеют ту же тенденцию, и здесь не были представлены чтобы изображение не повторялось).Кривая ТГ колеблется, и там имеет тенденцию к росту около 660 ° C. Это может быть связано с термическим эффект стеклования, приводящий к неравномерному распределению температуры вокруг образца, вызывая конвекцию газа и опускание тяжелого газа, и вызывая явное увеличение веса. Кривые ТГ показывают, что летучие удаляются и разлагаемые примеси, а термостабильность значительно улучшается после плавления базальтовых руд в стекла.

Как показано на b, три стекла имеют как эндотермические, так и экзотермические пики на кривая ДСК (скорость нагрева 20 ° С / мин), а первая эндотермический пик представляет точку стеклования.Стакан температура перехода T _г из трех образцы не сильно различаются, варьируются от 663 до 669 ° C. Первый экзотермический пик соответствует температуре кристаллизации T _p . Температура пика кристаллизации можно наблюдать, что они последовательно уменьшаются, составляя 884, 864 и 851 ° C соответственно, и пик постепенно становится резким. В виде содержание бывшего в сети уменьшается, стеклянная сеть становится рыхлый, стекломасса больше подвержена фазовому расслоению, более предусмотрены места зародышеобразования, и кристаллическое ядро ​​легко сформировать и расти.Кроме того, БГ-2 и БГ-3 содержат больше Fe ₂ O ₃ и TiO ₂ . Поскольку энергия связи Fe – O (397,48 кДж / моль) меньше, чем у Al – O (481,16 кДж / моль) и Si – O (774,04 кДж / моль), ²⁵ [FeO ₄ ] Тетраэдр неустойчив в стекле. Во время жары обработки, часть связи Fe – O разрывается, в результате чего уменьшение вязкости, тем самым повышая эффективность зародышеобразования. Это также приводит к образованию большего количества кристаллических зародышей в стекле и снижает температура пика кристаллизации.Кроме того, TiO ₂ может способствовать разделению фаз и уменьшать межфазную энергию и кристаллизацию. энергия активации. ⁴⁰ Последний эндотермический пик на кривой ДСК соответствует пику плавления стекла, а максимальная температура плавления Тл _м всего стекол выше 1100 ° C.

Описание выше подтверждает, что проанализированные базальтовые стекла обладают отличными термоударами. стойкость по сравнению с базальтами. Образец BG-1 имеет больше SiO ₂ и Al ₂ O ₃ в качестве формирователей сети, а также небольшой количество оксидов, способствующих зародышеобразованию.Стеклянная сетевая структура более компактный, что способствует отведению тепла, уменьшает термическое напряжение во время зарядки и разрядки стеклянной системы, и предотвращает образование трещин. Поскольку температуры плавления из трех стекол выше 1100 ° С, предварительно пришел к выводу, что максимальная рабочая температура базальтовых стекол используемые в качестве материалов для хранения явного тепла, могут достигать 1000 ° C. Это Также видно из того, что стекла не плавятся при нагревании до 1000 ° C.

Контурные изображения базальтовых стекол при разных температурах: (а) БГ-1, (б) БГ-2 и (в) БГ-3.

2.2.2. Тепловое расширение

Характеристики теплового расширения является важным фактором в определении термостойкость теплоаккумулирующего материала. Хранение тепла материал требует, чтобы коэффициент теплового расширения был как можно меньше как можно уменьшить объемное напряжение, вызванное температурой изменение во время теплового цикла, чтобы продлить срок его службы и улучшить его безопасность.При повышении температуры амплитуда колебаний частиц в стекле увеличивается, и расстояние между частиц соответственно увеличивается, поэтому стекло расширяется. Термическое расширение отрицательно сказывается на прочности соединения стеклянного компонента и герметичности сети. Кривые теплового расширения трех образцов стекла от 40 до 750 ° C, а скорость нагрева составляет 5 ° C / мин. Полученный результат показывает, что изменение длины образцы линейно возрастают с температурой от 40 до 650 ° C, и резкое увеличение наклона кривых теплового расширения при температуре выше 650 ° C.Это связано с стеклование, которое произошло при температуре около 650 ° C, сетка стекла становится рыхлым, и характерное состояние плавления, которое начинается происходить.

Эволюция термальный расширение базальтовых стекол.

Самая высокая точка кривой теплового расширения указывает температура размягчения стекла и температуры размягчения 686,5, 697 и 684,6 ° C соответственно, а максимальная длина переменная составляет от 0,6 до 0,7%. После температуры размягчения, способность атомов к перемещению усиливается, поры сети структура будет быстро заполнена, а микротрещины заживут для компенсации эффекта теплового расширения, приводящего к отрицательному термическое расширение.Это показывает, что базальтовые стекла более благоприятны. для высокотемпературного использования. Ding et al. ⁴¹ провели молекулярно-динамическое моделирование теплового расширения свойства кварцевого стекла, подтверждающие явление отрицательного расширения.

отображает контурное изображение базальтовых стекол на высокая температура, показывающая, что объем практически не изменяется с увеличением температура, не подвергаясь воздействию внешней силы. Линейный Коэффициенты теплового расширения трех образцов варьируются в пределах 7.63 и 8,91 × 10 ^–6 ° C ^–1 , что значительно ниже, чем у кремня (16–18 × 10 ^–6 ° C ^–1 ), ³⁷ Базальты Египта и Франции (10 × 10 ^–6 ° C ^–1 ), ³⁹ высокотемпературные бетон (9,3 × 10 ^–6 ° C ^–1 ) и литейная керамика (11,8 × 10 ^–6 ° C ^–1 ), ⁴² , что указывает на то, что базальт очки обладают хорошей термостойкостью и являются подходящими кандидатами для теплоаккумулирующих материалов.Коэффициенты теплового расширения изученные базальтовые стекла несколько различаются, а величина BG-1 относительно низкий, что также подтверждает, что структура сети БГ-1 стабильнее.

2.2.3. Плотность

измеренные значения плотности исследуемых образцы при комнатной температуре представлены в таблице 3 с полученными значениями плотности других материалов. из литературы. Можно заметить, что BG-2 и BG-3 имеют почти та же плотность, в то время как значение плотности БГ-1 несколько меньше.Фактически, первые два образца содержат больше оксидов с модифицированной сеткой, а ионы щелочных металлов и ионы щелочноземельных металлов заполнены в тетраэдрическую сетку [SiO ₄ ] и [AlO ₄ ] промежуток, чтобы сделать систему более плотной, так что значения плотности немного больше. Мы предполагаем, что плотность базальтового стекла остается постоянной. при высоких температурах из-за небольшого коэффициента теплового расширения. Это также можно продемонстрировать на контурных изображениях при разных температурах, как показано в .После нагрева исследуемых стекол от комнатной температуры до 1000 ° С и выдержка 2 ч, объем стаканов не изменился. существенно. По сравнению с заявленными материалами для аккумулирования явного тепла, например, солнечная соль Hitec (1,899 г / см ³ ) ⁴³ и высокопрочный бетон (2,250 г / см ³ ), ⁴⁴ проанализированные базальтовые стекла показывают более высокую плотность. Согласно формуле 2, они имеют очевидные преимущества в хранении тепла.

Таблица 3

Плотность базальтовых стекол и др. Место хранения Материалы, приведенные в литературе, при комнатной температуре

2.2.4. Конкретный Теплоемкость и теплоемкость

Объемная теплоемкость (ρ × C _p ) — физическое свойство что характеризует сумму тепловой энергии, хранящейся в теплоаккумулирующем материале. Это самый важный параметр в приложениях для аккумулирования тепла и имеет значительную влияние на тепловой КПД и инвестиции в теплоаккумулятор система. ^45,46 Кроме того, широко признанный объемный теплоемкость должна быть выше 1000 кДж / (м ³ · К). ⁴⁷ Плотность аккумулирования тепла представляет собой общую тепловая энергия, запасенная в единице объема теплоаккумулирующего материала во время один тепловой цикл. Согласно уравнению 2, плотность аккумулирования тепла положительно коррелирует. с объемной теплоемкостью и диапазоном рабочих температур. По мере увеличения этого свойства может уменьшаться требуемый объем хранилища. для систем хранения тепла, повышение экономической эффективности и многое другое конкурентоспособны в коммерческих приложениях.

В а – в экспериментально измеренная удельная теплоемкость C _p из базальтовые стекла построены в интервале температур 40–1000 ° С. ° C в течение трех термических циклов, а сплошная линия указывает процесс нагрева. Во время первого процесса нагрева появились пики на кривой удельной теплоемкости, которая возникает из-за экзотермической или эндотермической реакция при максимальной температуре, которая соответствует стеклованию и процессы кристаллизации соответственно. Это повлияет на измерение фактической удельной теплоемкости и истинной удельной теплоемкости. теплотворная способность вокруг эндотермической и экзотермической областей может быть получена интерполяцией.Тем не менее, в последующих двух процессах нагрева BG-1 и BG-3 не имели явных эндотермических и экзотермических пиков. Этот подразумевает, что первый тепловой цикл позволил стеклянной системе расслабиться на достаточное время, и внутренняя энергия высвободится для достижения более устойчивого состояния равновесия. Стоит отметить, что BG-2 все еще имеет пики кристаллизации при последующих двух нагреваниях. процессы, которые могут быть связаны с высоким содержанием Fe ₂ O ₃ , что затрудняет достижение энергетического равновесия состояние и легко девитрифицировать.Можно заметить, что в течение трех последовательные процессы нагрева и охлаждения, удельная теплоемкость каждого образца при одной и той же температуре практически не меняется из-за фиксированный состав, подтверждающий наличие у исследованных базальтовых стекол хорошая термоциклическая стабильность.

Удельная теплоемкость емкость в зависимости от температуры базальтовых стекол. Экспериментальные измерения: (а) БГ-1, (б) БГ-2, (в) БГ-3 и подогнанный значения, и (г) три образца стекла.

Удельная теплоемкость базальтовые стекла при разных температурах представлены в таблице 4, а реальное изменение удельной теплоемкости как функции температуры помещается в d.Очевидно, что удельная теплоемкость трех образцов стекла изменяется аналогично с температурой, а удельная теплоемкость обычно увеличивается с температурой. Это связано с тем, что удельная теплоемкость твердых тел — это сумма вкладов атомных колебаний при различных частоты. При повышении температуры степень свободы атомные колебания увеличиваются, поэтому увеличивается удельная теплоемкость. ⁴⁸ Кроме того, удельная теплоемкость быстро поднимается ниже 300 ° C, атомные колебания замораживаются при очень низкие температуры и захвачены в энергетической потенциальной яме, а количество «оттаявших» атомов быстро увеличивается с увеличением температура.Увеличение удельной теплоемкости от 300 до 600 ° C становится медленным и постепенно достигает постоянного значения, которое соответствует законам Дюлонга и Пети. Удельная теплоемкость резко изменяется от 600 до 800 ° C, это связано с быстрым снижением в вязкости стекла после температуры стеклования и переход от плотной структуры к рыхлой структуре. Он похож на тающий свойства и увеличивает свободу атомных колебаний; внезапный увеличение удельной теплоемкости называется конфигурационной энтропией, а затем теплоемкость стабилизируется.

Таблица 4

Удельная теплоемкость базальтовых стекол при разных температурах (Дж / (г · k))