新技術在耐火材料中的應用

李波濤　徐志飛　陳盼軍

1河南同人鋁業有限責任公司（472100）　2陜西省建筑科學研究院（710032）

新技術在耐火材料中的應用

李波濤1徐志飛1陳盼軍2

1河南同人鋁業有限責任公司（472100）2陜西省建筑科學研究院（710032）

介紹了納米技術、原位合成技術、自蔓延高溫合成（SHS）技術和功能梯度材料技術在耐火材料中的應用和需要深入解決的問題，進而擴展新技術在耐火材料中的應用。

耐火材料；納米技術；原位合成技術；自蔓延高溫合成技術；功能梯度材料技術

隨著科學技術的發展，耐火材料也從傳統耐火材料向著精細陶瓷的領域發展，研制和開發了一些特種耐火材料。與此同時，我們還可以進一步擴展新技術在傳統耐火材料中的應用。通過這些新技術的應用，希望能研制出性能優良、成本低廉、工藝簡單的耐火原材料。

1　新技術在耐火材料中的應用

1.1納米技術在耐火材料中的應用

納米技術在耐火材料中的應用主要是在耐火材料中引入納米粉體。賈曉林［1］等研究了高純剛玉引入α-Al2O3納米粉與α-Al2O3微粉對其燒結性能的影響，引入量分別為0.5%、1%、2%、3%的α-2Al2O3納米粉和4%、8%、12%的α-Al2O3微粉。結果表明，同時添加α-Al2O3納米粉和α-Al2O3微粉能夠促進固相燒結，提高試樣的燒結性能；當α-Al2O3納米粉添加量（質量分數，下同）為1%～2%，α-Al2O3微粉加入量為4%～8%時，燒結溫度可降到1 400～1 500℃，此時制品的體積密度、強度達到最佳值，且其固相燒結以擴散傳質為主。文獻［1，2］研究指出，在MgO-C質復合耐火材料中，利用納米碳粉替代鱗片石墨或在基質中原位形成納米纖維能明顯地改善MgO-C磚的使用性能。

Mukhopadhyay［3］等對高鋁澆注料中引入Sol-Gel制得的納米尖晶石進行了研究。結果表明，高鋁澆注料加入用Sol-Gel得到的納米尖晶石，其流動性能相比于加純MgO細粉和加微米級尖晶石提高80%，同時在精煉二次侵蝕性條件下，表現出更優良的熱震穩定性和抗渣性。呂春燕［4］等研究了硅鋁凝膠粉對Al2O3-SiC-C澆注料性能的影響。結果表明，以硅鋁凝膠粉替代純鋁酸鈣水泥作為結合劑，硅鋁凝膠粉的添加既能夠降低β-Sialon的生成溫度，又可以減少材料中的低熔物質的量，使制品經中溫、高溫熱處理后的常溫抗折強度及耐壓強度有較大提高。

1.2原位合成技術在耐火材料中的應用

原位合成技術指利用反應生成第二相，以改善耐火材料的性能。其優點是能夠減少第二相的固有缺陷，同時還可降低產品的價格。目前已有一些關于耐火材料原位合成技術的文獻報道，閻加強［5］選擇ZrSiO4、Al2O3和C作原料，利用反應燒結原位生成SiC顆粒和晶須復合ZAS材料，把SiC顆粒均勻分散于ZAS內，提高了ZAS的力學性能。結論表明，在加熱過程中，添加Al、Si的含碳耐火材料，可在耐火材料中生成SiC晶須、AlN晶須和Al4C3晶須，晶須的生成能夠改善含碳耐火材料的性能，并延長其使用壽命。陳衛武［6］研究了Al2O3-C復合耐火材料中原位生成SiC晶須的工藝參數和生成機理，結論表明，原位生成SiC晶須可以明顯增強Al2O3-C耐火材料強度和韌性。

M.P.Albano［7］采用在氮化爐中放入Al2O3-SiO2-SiC混合物，利用反應原位合成Sialon相，制備了Sialon結合SiC耐火材料。C.M.Ke以Si3N4-ZrSiO4-Al2O3混合物利用原位合成技術制備 O-Sialon-Al2O3耐火材料。

1.3自蔓延高溫合成技術在耐火材料中的應用

隨著自蔓延合成技術的不斷發展，自蔓延合成技術在耐火材料領域也得到一定的應用。文獻［8］研究表明，以菱鎂礦、白云石和鉻礦土等天然原料，利用制備的耐火材料用于鋁熔煉爐爐襯，使用壽命長于常規耐火材料。利用自蔓延合成技術燒結法制備的Si3N4-SiC-TiN材料，其孔隙度為8%～15%，可用作高級耐火材料。

另外，SHS焊接技術也有一定的應用，其工藝過程是把合適的反應原料填進兩耐火材料之間，通過SHS技術使中間原料發生反應，進而焊接兩耐火材料。楊林福等［9］通過SHS技術分別合成了耐火材料β-SiC超細粉和莫來石制品，粉體比表面積為2.48 m2/g，d=0.87 μm。

1.4梯度功能材料（FGM）技術在耐火材料中的應用

梯度功能材料具有優異的性能，它所體現出的新穎的材料設計思想一經提出，立即引起世界各國材料科學工作者的高度重視，迄今為止，已探索出一些基本的研究方法，制備出許多體系的梯度功能材料。

馮改山［10］研究表明，梯度功能材料技術應用在耐火材料中，主要是基于鋁熔煉爐內不同部位對耐火材料的使用性能和結構要求的不同，如鋁熔煉用多層內襯材料，根據不同材料物理、化學性能來設計組分漸變的耐火材料。但要開發出經濟的、應用面較廣（大面積、形狀復雜件）的FGM技術制備耐火材料工藝，還需作深入研究。

2　結語

這里對已經應用于和可能應用于耐火材料的幾種新技術作了簡介，期望引起更多的耐火材料研究者的興趣，從而加強這方面的理論和應用的研究。目前，納米科技在耐火材料中的應用尚處于初級階段，技術、工藝還不太成熟，需要進一步探索和改進。納米材料如能經過有效的化學、物理分散方法均勻地分散于混合物料中，對提高耐火材料的性能起到非常重要的作用。納米材料如在納米粉的分散問題上取得突破性進展，納米科技將會得到巨大的發展。納米科技在耐火材料市場的應用前景非常廣闊。

［1］賈曉林，鐘香崇.α-Al2O3納米粉對高純剛玉磚燒結性能的影響［J］.耐火材料，2005，39（5）：326-328.

［2］田明原，施爾畏，仲維卓，等.納米陶瓷與納米陶瓷粉末［J］.無機材料學報，1998，13（2）：129-137.

［3］Mukhopadhyay R D，Gnanam F D.Sol-gel mullite as the self-bonding material for refractory applications［J］.Ceramics International，2000，26（4）：347～350.

［4］呂春燕.原位生成Sialon增強Al2O3-SiC-C鐵溝澆注料研究［D］.武漢：武漢科技大學，2004.

［5］YAN Jiaqiang，GUO Zhengzhong，SUI Zhitong.The influence of process parameters on the reaction-sintering production of ZrO2-SiC and ZrO2-Al2O3·2SiO2-SiC composites with in-situ SiC［M］.Proceedings of sixth international symposium on the science and technology of sintering，China，1995：418-423.

［6］陳衛武，鄒宗樹，王元明，等.SiCw在Al2O3-C復合耐火材料中的原位生長［J］.硅酸鹽學報，1998，26（1）：124-127.

［7］ALBANA M P，SCIAN A N，PEREIRA E.Insitu formation of Sialon carbide based refractories microstructure and mechanical strength［J］.Silicate Industries，1997，62（5～6）：119-128.

［8］殷聲.自蔓延高溫合成技術和材料［M］.北京：冶金工業出版社，1995.

［9］楊林福，汪厚植，顧華志.自蔓延高溫合成β-SiC超細粉［J］.耐火材料，1995，29（4）：192-195.

［10］馮改山.性能漸變材料原理及其應用于耐火材料的技術可能性.耐火材料，1994，28（5）：300～303.