高温材料、耐火材料和保温隔热材料之间的关系


《高温材料的概念及其范畴》《耐火材料的概念及其范畴》《保温隔热材料的概念》《保温隔热材料的常见分类方法》等四篇文章中,我们分别对高温材料、耐火材料和保温隔热材料作了基本介绍。


从广义上的概念来讲,高温材料泛指适合于150℃及以上温度环境下正常工作且能保持其物理和化学性质不变或变化很小的材料;耐火材料是指凡其物化性能满足在某特定高温环境下使用要求的不燃性材料;保温隔热材料是指能够有效减少热量传递速度的材料,用于降低物体之间的热传导速度,达到帮助物体维持高温或低温状态的效果。


显然,这三类材料的功能侧重点不同:高温材料强调的是材料本身的耐高温性能;耐火材料关注的是在特定高温下的不燃性;而保温隔热材料则更侧重于阻止或减缓热量的传递速度。


材料世界体系繁杂,或相互交叉重叠,或部分具有隶属关系。高温材料、耐火材料和隔热材料之间也不例外,三者之间在一定程度上也存在类似的关系。理解这三类材料之间的关系有助于更好地选择和应用它们,特别是对于高温工业生产领域。


按照三者广义概念的内涵和外延,我们可归纳出三种材料的外延界限:只要耐温较高的材料即可归属为高温材料;耐温高且不燃的材料就可称为耐火材料;能阻止热传递快速的材料均可称为保温隔热材料。


为更好地理解这三类材料之间的内涵与外延差异,我们可以对三种材料两两之间的关系分别进行分析:


1)高温材料与耐火材料之间的关系


高温材料意味着其在某些高温或极端高温环境下能够保持其自身结构的完整性和使用性能。但耐高温不一定耐火,耐火则一定耐高温。所以,毫无疑问,耐火材料是高温材料的一个子集。


高温材料还包括很多其他耐热但并不耐火的材料,比如,耐高温的硅橡胶材料、聚酰亚胺、芳香族聚酰胺(芳纶纤维)等。


2)高温材料与隔热材料之间的关系


隔热材料不一定能够耐高温。比如,橡塑泡沫材料(EPS、PEF、PE、PU等)等多种有机保温隔热材料,并不具备耐高温的特性,只能适用于低于100℃或更低温度的场合。


高温材料也不一定具有隔热功能。质地致密的各类陶瓷材料,如氧化铝、氧化硅、氮化硅、氧化铬等耐火度很高的材料,不仅热导率较高,而且还具有高蓄热的特性。


所以,高温材料和隔热材料之间互不隶属,但存在交叉或部分重叠的关系。


不少耐高温的原材料适合制备成保温隔热材料,用于需兼具较高耐热性和良好隔热性的应用场合中。例如,在高温下可将熔融状态的玻璃和陶瓷喷吹成玻璃纤维和陶瓷纤维,玻璃纤维制品和陶瓷纤维制品均为常用的耐高温保温隔热材料。


又例如,聚酰亚胺是一种耐高温的有机聚合物材料,制成纤维或泡沫制品的聚酰亚胺则是一种综合性能优良的中低温隔热材料。


3)耐火材料与隔热材料之间的关系


耐火材料通常用于直接接触高温热源的场合,如高温窑炉的耐火内衬和超高温的坩埚容器等。这类材料需要具有较高的耐火度和良好的抗侵蚀性。


但,耐火材料不一定能隔热,隔热材料也不一定耐火。故,耐火材料和隔热材料之间存在交叉或部分重叠关系,但并非相互隶属关系。


很多轻质或高孔隙率的材料制品由耐高温的无机耐火原料制成,因兼具耐火与隔热特性,被称为隔热耐火材料或耐火隔热材料。耐火隔热材料是广义耐火材料的一个分支,属于隔热材料范畴的一部分。


耐火隔热材料可分为结构型和非结构型两大类。结构型耐火隔热材料既能在高温环境中保持良好的机械结构性能,又具有低热导率特性,因此在冶金、建材、航空航天等高温工业领域得到了广泛应用。例如,氧化铝空心球浇注料、氧化铝空心球砖、高铝聚轻砖、轻质莫来石砖、碳碳纤维材料等。非结构型耐火隔热材料广义上包含岩棉、玻璃纤维、微孔硅酸钙、陶瓷纤维、微孔纳米隔热材料等。


总结来说,高温材料包含耐火材料,部分高温材料和部分耐火材料属于保温隔热材料(即,高温材料和耐火材料均分别与保温隔热材料存在部分重叠关系)。


隔热耐火材料同时符合上述三类材料的概念内涵——既是高温材料,也属于隔热材料。


例如陶瓷纤维材料。从化学组成上看,它是一种无机高温材料,因为陶瓷纤维具有较高的熔点和良好的高温强度,能够在高温环境下保持稳定的物理和化学性能;它也是一种耐火材料,由于其高耐火度,可以用作窑炉内衬材料;同时因为其具有轻质和纤维结构特性,它又是一种重要的高温隔热材料。


又如,碳化硅(SiC)纤维是一种无机高温材料,同时它又属于耐火材料的一种,有很高的耐火度。另外,碳化硅纤维也是一种高温隔热材料,常用于一些超高温设备的绝热内衬结构。

三类材料虽然在基本定义和主要用途上有所不同,但在工业领域,它们常常相互组合,成为高温设备中的必要构成部分。


例如,在工业窑炉领域中,窑炉的内衬主体需要耐火材料来抵抗火焰和炉渣的高温侵蚀,保护窑炉的主体结构。同时,为了减少窑炉内部热量向外散失,提高能源利用效率,需要在耐火材料外层或内衬空间设计高温隔热层,选用结构型耐火隔热材料以及非结构型的陶瓷纤维、微纳绝热板等保温材料;窑炉的一些关键高温部件,如加热元件、温度传感器的保护罩等部分需要使用高温陶瓷材料,以确保这些部件在高温环境下能够正常工作并且有足够的使用寿命。


又例如,在炼钢用的电弧炉中,炉衬采用镁碳质耐火材料来承受高温钢水和电弧的冲击,在靠近外壳的的炉衬则选用隔热型耐火砖和微纳高强绝热片材料,以更好地控制熔融钢水的热量散失速度,而电弧炉的电极等高温部件则必须使用超高温合金材料。


在能源发电领域中,用于火力发电的锅炉,其炉膛使用耐火材料作为内衬,防止高温火焰和燃烧产物对锅炉壁的侵蚀。保温隔热材料用于包裹锅炉的管道等部位,减少热量在传输过程中的损失。高温材料则用于制造汽轮机的叶片等高温部件,这些叶片在高温蒸汽的推动下高速旋转,需要能够承受高温和巨大的离心力。


在核能发电中,反应堆的堆芯周围使用耐火材料和高温材料,以保证堆芯结构在高温核反应条件下的稳定性,同时还需通过使用保温隔热材料减少热量向周围环境的扩散,确保核电站的安全运行和能源转换效率。



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