获奖主题
高耐热、高强度陶瓷隔热材料，最大限度减少未利用的热量
获奖者
- 材料与化学领域多材料研究部陶瓷结构控制组组长福岛学
- 材料/化学领域助理区域总监 Yuichi Yoshizawa
研究成果总结
在水泥、玻璃和陶瓷工业中，输入到800°C或更高高温的烧成炉（间歇炉）中的热能中，只有百分之一到百分之几用于加热产品，其余的则作为未使用的热量（未使用的热量）而被丢弃。在这一领域发挥重要作用的陶瓷绝热材料包括纤维绝热材料和各种类型的砖，但前者强度低，容易飞散，被指出致癌，而后者只能将孔隙率提高到最大70%左右，并且在制造过程中释放大量二氧化碳气体也一直是个问题。为了解决这个问题，我们开发了凝胶冷冻法，这是一种实现高隔热性能、高耐热性、高强度的隔热材料的先进制造工艺技术，并完成了一系列通往实际应用的研究。
开发的方法是通过“将少量陶瓷粉末分散在保留高达 99% 水分的聚合物凝胶中，将其冷冻形成冰，成为凝胶内孔隙的来源，然后烧制除去冰晶的干凝胶”，制造出孔隙率高达 98% 的世界最高的陶瓷绝缘材料（图 1）。由于冰作为孔隙源，与传统方法相比，二氧化碳排放量可大幅减少。如果凝胶体沿一个方向冻结，则孔隙结构沿轴向定向，如果使用具有冰点效应的添加剂，则由于冰的生长及其停滞现象，可以获得一种具有封闭孔隙的隔热材料（图1）。
利用这种方法，我们开发了一种隔热材料，其孔隙率超过85%，导热系数为025 W/mK以下，抗压强度高达10 MPa以上，耐热温度为1500℃。如图2所示，所开发的材料在相对密度011以下的超高孔隙率下表现出世界最高水平的机械强度。此外，所开发材料的再加热收缩率小于1%，再加热和水下跌落试验后的强度损失很小，表现出优异的耐热性。
我们目前正在通过企业合作开发一种使用这种隔热材料的窑炉，目标是到 2023 年比传统窑炉减少 50% 的废热。作为应对全球变暖的措施，这是非常有前途的，因为它直接导致窑炉中使用的化石燃料量的减少。
（市村新鲜技术基金会主页）http://wwwsgkzorjp/)
图1 凝胶冷冻法示意图及组织照片
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图2 开发材料与传统材料的特性比较
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