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1. 研究目的与意义（文献综述）
1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）
1.1研究的目的及意义
降低建筑能耗是我国建筑节能工作的重中之重，推广使用新型节能建筑墙体材料能极大地促进我国建筑节能工作。国内目前所使用的外墙保温材料多为有机材料，虽制造与施工成本低但不防火。近年来发生的多起与保温材料有关的火灾事故都引起了广泛关注，起火原因同为外保温材料是有机材料且防火级别低。这无疑增加了对无机保温材料、高级别防火材料的需求，促进了发泡陶瓷材料行业的发展。
发泡陶瓷材料的概念于上世纪末由欧美提出，后被引入国内。发泡陶瓷是添加特殊发泡剂，经高温烧结，该物质在此期间发生物理化学反应产生挥发性气体，在陶瓷基体内部形成大量均匀的封闭气孔结构的陶瓷材料。发泡陶瓷具有轻质高强、防火阻燃、保温隔热、防水防潮、隔音降噪等优良性能，是一种综合性能优越的保温材料。因此，发泡陶瓷作为防水、保温等材料具有广泛的应用前景。
同时，我国目前大多数尾矿处于未开发状态，造成尾矿的堆积与矿物资源的浪费，且多数固体废弃物中含有毒有害物质，如重金属等，将其进行堆积处理将无法避免其中有毒有害物质渗入土壤、地下水，污染环境、威胁人类健康。由于尾矿的化学组成与发泡陶瓷的化学组成相似，通过利用尾矿生产发泡陶瓷，实现了固体废弃物的资源化利用，能部分解决尾矿的堆积问题，同时固体废弃物用于制备发泡陶瓷，有较低的浸出率，可固定其中的重金属等有毒有害物质，减轻环境压力，实现我国的可持续发展战略。
发泡陶瓷的发展方向在于将实验室理论研究应用到大批量实际生产中，并进行具有商业价值的推广。但实验室环境与工业生产环境存在差距，例如我国的原料精加工水平较低，许多建筑卫生陶瓷厂都是使用未经加工的各种天然矿物。这使得坯料的质量不稳定，严重影响了我国陶瓷产品质量的稳定和提高。同时受地域不同的固体废弃物产生原因不同，给发泡陶瓷在成分、微观结构上造成影响。这对于硅酸盐材料行业发展方向，在原料的标准化发展上造成难度。这也导致固体废弃物在发泡陶瓷中掺量较低，限制了发泡陶瓷材料的应用。所以尤为重要的是如何在批量生产过程中，无法精确控制生产条件时，保证高精度地控制孔径尺寸与其均匀性，继而保证产品性能。
国内大部分专家学者的研究方向为利用固体废弃物来制备发泡陶瓷，并尽可能在不影响发泡陶瓷性能的前提下提高固体废弃物的掺量，在使发泡陶瓷材料拥有更大的市场与应用的同时，解决固体废弃物处理的环境问题。但随着社会发展与科技进步，对建筑材料的保温性能提出了越来越高的要求，同时人们对墙、地砖的要求已不仅仅局限于其铺设的实用性，而且还要求材料具有其他特殊性能，如耐火效果等。
发泡陶瓷无论是用于室内装饰，还是用于外墙保温，特别是高层建筑，一旦发生火灾，因发泡陶瓷因耐火性能不足而产生变形、剥离，将造成高空坠物等危险事件。按照目前现行的标准要求，发泡陶瓷的耐火极限性能尚需进一步提高。所以研究发泡陶瓷耐火性能的影响因素，制备耐火性能良好的发泡陶瓷，具有实际意义。为提升发泡陶瓷耐火极限，一些企业和研究机构通过添加氧化锆、锰泥、二氧化钛等来改变坯体的结构，增加孔壁厚度或增加通孔率，以缓冲受热后产生的内应力破坏作用，改善材料的耐热冲击性能，提高了耐火性能，但保温性能相应有所下降。
本课题将根据耐火发泡陶瓷结构与性能的要求，设计发泡陶瓷配方组成，制定实验方案。并分析黄金尾矿、石英、长石等原料在耐火发泡陶瓷坯体中的作用。同时分析影响耐火发泡陶瓷结构与性能的因素，并提出提高发泡陶瓷耐火性的途径。
1.2国内外的研究现状分析
为了解发泡陶瓷及其耐火性能的发展历程，理清其研究水平、脉络，比较国内外相关方面的研究现状，选取近十年的文献，通过分析目前国内外部分专家学者的研究情况，梳理相关文献，以便开展进一步学习研究。发泡陶瓷材料的概念于上世纪末由欧美提出，后被引入国内，并且于近五年有越来越多的专家学者投入相关研究。
1.2.1 保温性能
早在1997年我国学者王国梅等[10]就探究了原料配方、烧成工艺对高温发泡陶瓷的导热系数、吸水率、密度与强度等主要性能的影响。坯料适宜的化学组成如下表所示：
表1-1 高温发泡陶瓷坯料适宜化学组成
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO MgO | K2O Na2O | IL |
| 50-70% | 10-20% | 5-10% | 1.5-5% | 3-8% | 5-10% |
利用湖北当地储量大、成本低、具有一定膨胀性的瓷砂原料，添加部分碎玻璃与少量发泡剂，发泡剂选用Fe2O3与碳粉，其中性能最优的配方C的化学组成如下表所示：
表1-2 配方C化学组成（灼烧基）
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | TiO2 | CaO | MgO | K2O | Na2O |
| 69.14 | 14.76 | 3.52 | 0.58 | 1.29 | 0.65 | 0.97 | 7.06 |
制备工艺为中碎（过35目筛）的瓷砂、碎玻璃、Fe2O3一起球磨（料:球:水=1:1.5:0.8，球磨8h，0.1%腐殖酸钠电解质）、干燥、粉碎后，再与已磨细的碳粉一起搅拌混合、加水练泥、可塑成型（加水20%）、干燥（100-110℃），性能最优的配方C的最佳烧成温度为1140℃。结果为性能最优的配方C的密度0.767g/cm3、吸水率0.49%、导热系数0.067W/(m·K)、抗压强度3.67MPa、抗折强度2.60MPa，制得具有防水、保温功能的高温发泡陶瓷。结论为引入过多Na2O导致液相粘度降低而不利于控制气孔率、软化温度范围变窄，过少的Na2O导致液相量少，液相框架单薄，发泡效果不佳。
2010年我国学者刘媛媛等[19]以铁尾矿烧结制备多孔保温材料，探究材料气孔的形成机理。配方为以铁尾矿为主要原料，页岩为辅助原料，粘接剂为膨润土，助熔剂为长石。制备工艺为铁尾矿破碎至平均粒径0.139mm，各种原料按比例称量，放入混料机中干混2h，再置于旋转式造粒机中造粒，均匀加入5-20%水（质量分数），造粒球粒粒径1-7mm、准球形，自然干燥24h后烧制。结果为制得主相为玻璃相，晶相是石英、斜长石等原料残留相的制品，样品气孔为闭气孔且分布均匀。结论为气孔的形成主要有液相生成、气孔形成、气孔长大、气孔上浮4个相互关联的过程，气孔形成过程中为确保气孔分布均匀，避免气孔贯通、上浮，在发泡温度附近升、降温速率必须放缓。
2016年我国学者周明凯等[11]进行了以金尾矿高硫选冶尾渣制备发泡陶瓷的工作，探究氧化铝、硫化铁对发泡过程的影响。配方为以山东某矿尾渣为主要原料，添加煤矸石、轻烧氧化铝与氧化镁为辅助原料，碳化硅为发泡剂。制备工艺为将尾渣与其他原材料混合后采用湿法粉磨工艺（水70-80wt%），置于氧化铝球磨罐粉磨3h，制成料浆后烘干、制粉，烧成制度为以5℃/min的升温速度加热至1160-1220℃的保温温度，保温60min，随炉冷却。结果为当氧化铝为20wt%时，制得气孔均匀的容重170kg/m3、平均孔径1.64mm、吸水率1.651%、抗压强度1.48MPa、导热系数0.071W/(m·K)的发泡陶瓷。结论为氧化铝对发泡温度范围与烧成温度范围影响大，随氧化铝含量增加，发泡温度升高，烧成温度范围先拓宽后变窄。硫化铁有助于发泡过程，能减少发泡剂用量。
2020年韩国学者Shynar Kultayeva等[1]探究了气孔率对SiC多孔陶瓷电导率与热导率的影响。配方为以SiC粉料，添加Y2O3、AlN为烧结助剂，PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）微粒为发泡剂。工艺为原料在乙醇中球磨混合24h，所得料浆干燥、过筛、造粒、压制成型。烧成制度为450℃保温30min，N2气氛下以1℃/min升温至1000℃并保温1h，再升温至1800-2000℃，并保温1h。结果为当烧成温度改变，气孔率与微观结构变化，当气孔率从30%上升至63%，SiC多孔陶瓷的热导率从37.9W/(m·K)下降至5.8W/(m·K)，结论为相等气孔率情况下，相比于小晶粒结构，大晶粒结构热导率更高。
1.2.2 耐火性能
2019年我国学者李子恒[12]进行了发泡陶瓷耐火极限性能的研究，其配方为钾钠长石、锰泥、黄泥、滑石、碳化硅、TiO2微粒（准球形，粒度分布均匀，粒径多在0.6-1.0um之间）。制备工艺为原料通过球磨机混合20min然后喷雾造粒、陈腐。结果为未添加锰泥与TiO2微粒的发泡陶瓷耐火极限性能为1.13h；仅添加锰泥的为1.75h；仅添加TiO2微粒的为2.55h；二者同时添加的为3.47h。结论为添加TiO2微粒与锰泥对发泡陶瓷的微观结构有较大影响，使得发泡陶瓷原有的微观褶皱与裂纹得以消除，最终影响发泡陶瓷的耐火极限性能与抗压抗折性能。
2020年我国学者Zhang Yunxia等[4]研究了材料性能的温度依赖性对多孔发泡陶瓷的抗热震性的影响。其结论为发泡陶瓷的抗热震性对由温度决定的材料性能非常敏感，如果多孔陶瓷的相对密度降低，则其抗热震性增加，因为气孔的存在阻碍了裂纹的扩展。
2019年我国学者Ge Xuexiang等[9]以炉灰制备发泡陶瓷，探究Na2O与MgO含量对发泡陶瓷微观结构与材料性能的影响。其工艺为原料以干法粉磨至过200目筛，发泡剂SiC粒径小于13μm，于电炉中105℃下干燥12h，添加三乙醇胺以干法球磨6h，15MPa下干压成型，以5℃/min的升温速率于1180-1220℃烧成。结果为制得体积密度0.283g/cm3、抗压强度2.12MPa，具有均匀分布的微小气孔与八面体形状的尖晶石晶粒的发泡陶瓷。结论为适量的MgO能够改善气孔结构，使气孔尺寸减小、分布均匀，从而降低体积密度、提高抗压强度。
2019年伊拉克学者Enas Muhi Hadi等[5]探究了一种向高岭土中添加麦秸秆以制备多孔耐火陶瓷的生产方法。配方为以高岭土为原料，添加氧化铝，以麦秸秆为发泡剂。工艺为原料振动筛分，干压成型，干燥24h，于1300℃温度下烧成。结果制得气孔率43%的多孔耐火陶瓷。结论为随添加氧化铝含量增加，莫来石晶相含量增加，可改善多孔耐火陶瓷的物理性能与机械性能。
2018年阿拉伯联合王国学者N.M. Khalil等[6]利用原油废弃泥浆，通过混合不同质量分数的自然铝土矿生料，制备用于高温应用的高品质耐火陶瓷。配方为以质量分数铝土矿-原油废弃泥浆分别为100–0wt%、80–20wt%、60–40wt%、50- 50wt%、40–60wt%、20–80wt%与0–100wt%，准备了7个系列的坯料。制备工艺为采集的原油废弃泥浆与铝土矿生料进行干燥、粉磨，筛得粒径小于100μm颗粒，干混后，每个系列使用液压机于800kg/cm3单轴常压下成型圆柱状坯体，生坯在电干燥箱中于110℃下干燥，然后在不同温度下烧成。结果制得了结构紧凑，晶粒分布良好，存在六边形的刚玉晶粒、针状莫来石晶粒与圆形铝酸钡晶粒，相互影响、相互交错，这些晶粒表现出相互贯通、紧密闭合的良好结果，荷载软化温度达到1580℃。结论为源于原油废弃泥浆的氧化钡与氧化硅，源于当地铝土矿石的氧化铝与氧化硅，这些氧化物在高温下形成铝酸钡与莫来石，这在改善陶瓷烧结体的微观结构、物理机械性能、耐火性质上发挥了重要作用。
综上所述，尾矿的化学组成与发泡陶瓷的化学组成相似，使得利用尾矿生产发泡陶瓷成为可能，从而实现了固体废弃物的资源化利用，能部分解决尾矿的堆积问题，并且可以通过引入长石等辅助原料对微观结构进行调节，从而一定程度上改善目标性能。此外，减小气孔尺寸应该是制备具有良好抵抗热冲击的发泡陶瓷材料的方法之一，但在控制气孔尺寸方面如果确实存在一些困难时，可以通过使气孔基本上呈球形状态，以缓解气孔导致的应力集中效应。一般来说描述陶瓷材料显微结构的两个重要特征参数是晶粒尺寸和气孔率，根据Griffith微裂纹理论，尽管气孔多存在于晶界上，往往成为裂纹源，但是存在于晶粒内部的互不连通的封闭式气孔，特别是气孔呈微小的均匀分散状态时，也有可能导致材料强度的提高。在存在高应力梯度时（例如由热震引起的应力），气孔能起到容纳变形，阻止裂纹扩展的作用。故不额外添加高Al元素原料以增加莫来石晶相含量的前提下，通过调节气孔结构、莫来石晶形等微观结构，提高发泡陶瓷耐火性能具有可行性。
1.3存在的问题
按照目前现行的标准要求,发泡陶瓷隔墙板的耐火极限性能尚需进一步提高，由于发泡陶瓷内存在大量闭气孔，当其处于火焰中时，闭气孔内气体受热膨胀，导致发泡陶瓷开裂。因此，如何提高发泡陶瓷的耐火极限性能是目前发泡陶瓷所要解决的问题之一。
2. 研究的基本内容与方案
2.研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1基本内容
（1）查阅20篇以上的相关文献资料，其中近5年英文文献不少于3篇，了解国内外相关研究概况和发展趋势，了解选题对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响。
3. 研究计划与安排
3.进度安排
第 1-3 周：查阅国内外相关资料并翻译外文资料，明确研究任务，了解研究实验 所需原料、仪器和设备，撰写开题报告并进行开题答辩。
第 4-9 周：整理相关国内外资料，按照样品性能与结构的要求，制定的实验方案 及技术路线；撰写毕业论文绪论，学习并撰写样品结构与性能表征方法。
4. 参考文献（12篇以上）
4.参考文献
[1]shynar k., jang h.h.,rohit m., et al. effects of porosity on electrical and thermalconductivities ofporous sic ceramcs[j]. journal of the european ceramic society,2020,40(4):996-1004.
[2]wang s.m., zhang x.f.,kuang f.h., et al. preparation and properties of a new porous ceramic materialused in clean energy field[j]. journal of materials science technology,2019(35): 1255-1260.
