Céramiques à base de cendres volantes à haute teneur en alumine : le « gilet pare-balles » des industries à haute température

Cendres volantes à haute teneur en alumine Il s'agit d'un nouveau type de cendre volante dont la teneur en alumine dépasse 37%. Elle contient principalement de l'alumine (38%–50%), de la silice et de l'oxyde de fer. Ensemble, ces composants représentent plus de 80%.

Dans les chambres de combustion des moteurs aéronautiques, la température des gaz peut dépasser 2 000 °C ; dans les hauts fourneaux des aciéries, la fonte et les scories en fusion érodent continuellement le revêtement réfractaire. Dans ces environnements extrêmes, de nouveaux matériaux céramiques à haute teneur en alumine sont issus de déchets industriels. cendres volantes—se présentent comme une « combinaison super protectrice » grâce à leur résistance exceptionnelle aux hautes températures.

Propriétés des matériaux

Le cœur de ce matériau est la mullite (Al₆Si₂O₁₃), qui représente plus de 85% de sa composition. Elle forme une structure solide pour une résistance thermique optimale. La structure tridimensionnelle unique des cristaux de mullite agit comme un nid d'abeille naturel et bloque efficacement le transfert de chaleur. Sa réfractarité atteint ≥ 1790 °C, soit l'équivalent d'un tiers de la température de surface du soleil directement sur le corps. Sa résistance à la compression atteint 250 MPa. Chaque centimètre carré peut supporter une pression de 2,5 tonnes sans déformation, surpassant même certains aciers.

Indice de performance	Brique réfractaire traditionnelle	Céramique à base de cendres volantes à haute teneur en alumine	Composite en fibre de carbone de qualité aérospatiale
Réfractarité (°C)	1650	≥ 1790	1500
Résistance à la compression (MPa)	150	250	120
Conductivité thermique (W/m·K)	1.2	0.8	0.5

Processus de fabrication

Les fabricants d'abord écraser et purifient les cendres volantes à haute teneur en alumine dont la teneur en Al₂O₃ est supérieure à 40%. Elles forment ensuite des corps crus par moulage par compression à sec. Ce procédé est similaire au façonnage traditionnel de la céramique, mais sous une pression de 200 MPa. Cela équivaut à un poids de 20 tonnes sur une surface de la taille d'un ongle.

Ensuite, ils frittent le matériau à 1 400–1 600 °C pour produire des céramiques poreuses. Pour améliorer encore les performances, ils utilisent le frittage à chaud. Ce procédé augmente la densité de 90% à 95%, rendant la structure plus compacte. C'est comme comprimer du sable meuble en granit. En contrôlant la vitesse de chauffe, ils créent des cristaux de mullite uniformément répartis.

Scénarios d'application

Revêtements de hauts fourneaux dans les aciériesLes briques réfractaires traditionnelles ont une durée de vie d'environ deux ans. La nouvelle céramique prolonge cette durée de vie à 3,2 ans. Il s'agit d'une amélioration par rapport au 60%. Par conséquent, les temps d'arrêt et les coûts de maintenance diminuent. Une grande aciérie a économisé 20 millions de yuans par an après l'adoption de ce matériau.

Chambres de combustion des moteurs aérospatiaux: Le matériau agit comme une couche isolante. Sa faible conductivité thermique (0,8 W/m·K) peut abaisser la température des parois métalliques de plus de 300 °C. Cela crée un écran pare-feu entre la chambre de combustion et la paroi métallique.

Domaines clés des fours à verre: Sous une température d'érosion de 1600 °C, le verre fondu double sa durée de vie par rapport aux matériaux traditionnels. Un fabricant de verre a réduit la fréquence de maintenance de son four de 40%.

Percée technologique

En ajoutant du nano-SiO₂ (taille des particules < 50 nm), les chercheurs ont multiplié par quatre la résistance aux chocs thermiques. Cette modification s'apparente à du tissage de « nano soie d'araignée » à l'intérieur de la céramique : exposées à de brusques variations de température, les nanoparticules absorbent l'énergie par transformation de phase induite par la contrainte, empêchant ainsi la propagation des fissures. De manière remarquable, ces nanoparticules forment une structure « nano-pont » à l'intérieur de la céramique, comme si elles lui conféraient un « gilet pare-balles ».

Poudre épique

L'avènement des céramiques à base de cendres volantes à haute teneur en alumine résout non seulement un défi mondial en matière de recyclage des déchets industriels, mais établit également une nouvelle référence en matière de matériaux de protection haute température. Construites sur une structure en mullite et améliorées par nano-modification et frittage avancé, elles réalisent des avancées majeures en termes de réfractarité, de résistance mécanique et de résistance aux chocs thermiques.

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