納米技術在耐火材料中的應用分析

郭 鵬

（萊蕪鋼鐵集團泰東實業有限公司，山東 濟南 271104）

耐火材料在社會各個領域得到普遍應用，這其中包括黏土磚、高鋁磚等硅酸鋁材料；硅磚、熔融石英等硅質材料；鎂磚、鎂鋁磚等鎂質材料；炭磚、石墨磚等炭質材料等多個種類。為了有效改善這些傳統耐火材料的耐火性能與抗高溫性能，進而為工業生產以及人們的日常生活提供更加優質、更高性價比的耐火材料，近年來，技術人員逐步將納米技術與耐火材料的加工生產技術融合到一起，并收到了較為理想的應用效果。

1 納米技術在耐火材料中的作用機理

在耐火材料當中，納米技術的應用形式主要表現為納米粉與耐火材料的融合，納米粉屬于一種超細粒子，其表面尺寸介于1～100納米之間，目前，制備納米粉最為常用的方法是氣相法、液相法與固相法，如圖1所示。

圖1 納米粉合成制備法

由于納米粉表面活性高，較其他粉體相比，熔點與燒結溫度偏低，因此，這種材料常常被應用于特種耐火材料或者不定型的耐火材料當中，在這些材料中，納米粉主要扮演結合劑與添加劑的角色。一方面，納米粉能夠大幅降低耐火材料的摻水量，減少材料當中的有害成分。另一方面，能夠有效改善耐火材料的力學性能。此外，納米粉在提高耐火材料強度、韌性、抗熱震性以及抗高溫蠕變性等方面也發揮了至關重要的作用，主要作用機理表現為以下兩個方面：

1.1 改善耐火材料的力學性能

耐火材料的力學性能指標涵蓋抗壓強度、抗折強度、抗剪強度以及高溫蠕變性等，當納米粉與耐火材料結合以后，受到高活性粉體的影響，使得耐火材料的內部結構慢慢變得致密而均勻，這就使耐火材料的結構穩定性得到提升。與此同時，在耐火材料當中添加適量的納米粉末，使耐火材料晶粒的均勻性與穩定性得以增強，在這種情況下，耐火材料的顆粒分布越均勻，材料質量缺陷的產生概率也就越小，進而對提高耐火材料的強度與韌性將起到積極的促進作用[1]。

1.2 在高溫燒結過程中對固相反應的影響

耐火材料的生產工藝流程可以簡單概括為固相反應與燒結過程，而納米技術在耐火材料生產過程中的運用，對固相反應與耐火材料的燒結性能都會產生一定的影響。首先，當耐火材料發生固相反應時，可以根據動力學方程可以求出反應速率，并從方程當中可以看出，納米顆粒的粒徑越大，發生化學反應的界面與擴散截面就會相應減小，這時，反應速率常數K也將減小，如果粒徑越小，反應速率常數K值也就越大，這就說明納米顆粒尺寸的大小決定著鍵強分布曲線的趨勢，一旦弱鍵數量增多，固相反應的速率也會大幅增加。另外，在耐火材料燒結工序當中，材料的液相形態持續的時間較短，大多數燒結時間都在進行著固相反應，比如在泰曼溫度的附近區域，常常表現為固相燒結狀態，如果向耐火材料當中添加納米粉，燒結溫度無需達到泰曼溫度，耐火材料便可以完成固相燒結流程。因此，納米技術在耐火材料中的應用能夠大幅提升加工與生產效率。

2 納米技術在耐火材料中的具體應用

2.1 在剛玉質與鎂鉻質耐火材料中的應用效果

剛玉質耐火材料具有強度高、耐磨性好、耐酸性強等特點，其原料以鋁礬土為主，純度較高的稱之為白剛玉，純度較低的稱之為棕剛玉。如果在剛玉質耐火材料當中添加三氧化二鋁和二氧化硅納米粉，并分別對燒結溫度為1450℃、1550℃、1650℃以及1750℃的剛玉磚性能進行觀察發現，在添加納米粉之后，剛玉磚的燒成溫度降幅在100℃～200℃之間，而在溫度降低情況下燒成的剛玉磚，其抗折強度與耐壓強度提高了近2倍。此外，對于鎂鉻質耐火材料來說，是以鎂砂和鉻鐵礦為主要燒結原料，其中，鎂砂當中的主要礦物質是氧化鎂，在與水泥熟料混合以后，可以和熟料當中C3S、C2S、CA、CAF等礦物質并存，因此，鎂鉻質耐火材料具有良好的抗侵蝕性。如果在鎂鉻質耐火材料當中添加一定量的三氧化二鐵納米粉，那么在燒結溫度相同、時間相同、生產工藝流程相同的條件下，納米粉的添量每增加1%，鎂鉻質耐火材料的燒成溫度將降低150℃以上，而且現場實驗數據表明，在這種情況之下，鎂鉻質耐火材料的耐壓強度以及抗折強度均有所提升。以燒結溫度1700℃，保溫時間為3小時的燒成鎂鉻耐火材料為例，如果添加三氧化二鋁納米粉，鎂鉻耐火材料的顯微結構將發生明顯變化，這就表明，此時燒成的鎂鉻耐火材料的力學性能也發生了改變，如圖2（a）（b）所示。

2.2 在二氧化鋯與三氧化二鉻耐火材料中的應用效果

二氧化鋯（ZrO2）是制備耐火磚、坩堝、陶瓷等耐火材料的重要成分，但是，在應用納米技術之前，二氧化鋯耐火材料不僅強度低、韌性差，而且材料孔隙大，這一質量缺陷嚴重影響了耐火材料耐火性能的正常發揮。而應用納米技術以后，能夠有效減少二氧化鋯質定徑水口的氣孔，進而能夠改善耐火材料的力學性能。如果應用納米復合技術，在燒結溫度為1500℃，保溫時間為6小時的情況下，燒成的二氧化鉻耐火材料坯體，與燒結溫度在1800℃，保溫時間依然為6小時情況下燒成坯體的體積、密度均相同，而且顯氣孔率的降幅達到8%以上，這就說明，在應用納米復合技術以后，耐火材料的孔徑與孔容均變小，孔徑也保持在10納米以下，由此可以看出，納米粉在二氧化鋯耐火材料燒結過程中起到了充填孔徑的作用，進而使耐火材料的韌性與強度得到大幅提升[2]。

對于三氧化二鉻（Cr2O3）來說，是冶金行業一種常見的制備耐火材料的原料，在燒結過程中，受到高溫的影響，這種材料極易蒸發，因此，類似于二氧化鋯耐火材料的特性，其顯氣孔率較高、孔徑較大、自身體積與密度偏低，這就使得燒結過程中產生的爐渣極易進入孔洞當中，而影響耐火材料的力學性能。當采用納米技術以后，三氧化二鉻耐火材料的孔容與顯氣孔率明顯下降，體積密度隨之增大，這就說明耐火材料的抗渣性能得到明顯改善。

2.3 在石墨耐火材料中的應用效果

石墨是制備坩堝、水口磚、高壓釜內襯等耐火材料的重要原料，與其他原料相比，其燒結溫度達到2500℃以上。但是在石墨燒結過程中，由于水與石墨極難發生化學反應，因此，石墨表面往往表現出不濕潤的特性，這就使得澆注料的流動性受到嚴重影響。為了解決這一難題，近年來，技術人員通過對石墨表面的改性處理，利用納米技術，在石墨表面包裹一層納米氧化物薄膜，這一薄膜能夠加快各類無機鹽的水解速度，進而使石墨表面的濕潤性得以增強，在這種情況之下，澆注料的流動速度也隨之加快。比如以三氧化二鋁這種氧化物薄膜為例，當這一薄膜附著在石墨表面以后，這種納米氧化物表現出了良好的親水性，這時，石墨表面的懸浮液黏度大大降低，分散穩定性也有所提升。另外，在石墨表面包裹三氧化二鋁納米薄膜，耐火材料的抗氧化性得到切實改善，良好的物理力學性能也表現的尤為明顯[3]。

2.4 在不定型耐火材料中的應用效果

所謂不定型耐火材料主要是由合理級配的粒狀和粉狀料以及結合劑共同組成，在不經過燒成與成型過程而直接使用的耐火材料，從外觀形態看，一般呈現出漿狀、泥膏狀或者松散狀，較為常見的不定型耐火材料包括各種型號的水泥、水玻璃、硫酸鹽等無機鹽類，以及焦油、瀝青、酚醛樹脂等有機物。由于不定型耐火材料在制備過程中，往往需要消耗大量的原材料，比如水泥或者其他結合劑，這就給生產企業增加了經濟負擔，同時，也能夠減少對自然生態環境造成的污染。因此，為了改善不定型耐火材料的力學性能，減少原材料的使用量，技術人員利用硅鋁凝膠納米粉替代了純鋁酸鈣水泥中Al2O3-SiC-C這一澆注料的性能，通過現場實驗數據表明，將硅鋁凝膠納米粉作為結合劑，來制備耐火材料，不僅大幅度降低優質材料的生成反應溫度，而且也能夠減少原材料的使用量，并且通過對耐火材料試樣抗折與耐壓強度的檢測發現，與未添加硅鋁凝膠納米粉相比均有所提升。

3 結語

隨著我國國民經濟的持續穩步發展，社會各領域對耐火材料的力學性能要求越來越高，在這一背景之下，業內專業人士與技術人員應當始終秉持“與時俱進”的態度，將納米技術與耐火材料的生成與燒結流程有機融合到一起，在發揮納米材料技術優勢的同時，使耐火材料的整體質量得到提升，進而為社會各行業以及人們的日常生活提供更多的高質量耐火材料。