新技术在耐火材料中的应用

李波涛　徐志飞　陈盼军

1河南同人铝业有限责任公司（472100）　2陕西省建筑科学研究院（710032）

新技术在耐火材料中的应用

李波涛1徐志飞1陈盼军2

1河南同人铝业有限责任公司（472100）2陕西省建筑科学研究院（710032）

介绍了纳米技术、原位合成技术、自蔓延高温合成（SHS）技术和功能梯度材料技术在耐火材料中的应用和需要深入解决的问题，进而扩展新技术在耐火材料中的应用。

耐火材料；纳米技术；原位合成技术；自蔓延高温合成技术；功能梯度材料技术

随着科学技术的发展，耐火材料也从传统耐火材料向着精细陶瓷的领域发展，研制和开发了一些特种耐火材料。与此同时，我们还可以进一步扩展新技术在传统耐火材料中的应用。通过这些新技术的应用，希望能研制出性能优良、成本低廉、工艺简单的耐火原材料。

1　新技术在耐火材料中的应用

1.1纳米技术在耐火材料中的应用

纳米技术在耐火材料中的应用主要是在耐火材料中引入纳米粉体。贾晓林［1］等研究了高纯刚玉引入α-Al2O3纳米粉与α-Al2O3微粉对其烧结性能的影响，引入量分别为0.5%、1%、2%、3%的α-2Al2O3纳米粉和4%、8%、12%的α-Al2O3微粉。结果表明，同时添加α-Al2O3纳米粉和α-Al2O3微粉能够促进固相烧结，提高试样的烧结性能；当α-Al2O3纳米粉添加量（质量分数，下同）为1%～2%，α-Al2O3微粉加入量为4%～8%时，烧结温度可降到1 400～1 500℃，此时制品的体积密度、强度达到最佳值，且其固相烧结以扩散传质为主。文献［1，2］研究指出，在MgO-C质复合耐火材料中，利用纳米碳粉替代鳞片石墨或在基质中原位形成纳米纤维能明显地改善MgO-C砖的使用性能。

Mukhopadhyay［3］等对高铝浇注料中引入Sol-Gel制得的纳米尖晶石进行了研究。结果表明，高铝浇注料加入用Sol-Gel得到的纳米尖晶石，其流动性能相比于加纯MgO细粉和加微米级尖晶石提高80%，同时在精炼二次侵蚀性条件下，表现出更优良的热震稳定性和抗渣性。吕春燕［4］等研究了硅铝凝胶粉对Al2O3-SiC-C浇注料性能的影响。结果表明，以硅铝凝胶粉替代纯铝酸钙水泥作为结合剂，硅铝凝胶粉的添加既能够降低β-Sialon的生成温度，又可以减少材料中的低熔物质的量，使制品经中温、高温热处理后的常温抗折强度及耐压强度有较大提高。

1.2原位合成技术在耐火材料中的应用

原位合成技术指利用反应生成第二相，以改善耐火材料的性能。其优点是能够减少第二相的固有缺陷，同时还可降低产品的价格。目前已有一些关于耐火材料原位合成技术的文献报道，阎加强［5］选择ZrSiO4、Al2O3和C作原料，利用反应烧结原位生成SiC颗粒和晶须复合ZAS材料，把SiC颗粒均匀分散于ZAS内，提高了ZAS的力学性能。结论表明，在加热过程中，添加Al、Si的含碳耐火材料，可在耐火材料中生成SiC晶须、AlN晶须和Al4C3晶须，晶须的生成能够改善含碳耐火材料的性能，并延长其使用寿命。陈卫武［6］研究了Al2O3-C复合耐火材料中原位生成SiC晶须的工艺参数和生成机理，结论表明，原位生成SiC晶须可以明显增强Al2O3-C耐火材料强度和韧性。

M.P.Albano［7］采用在氮化炉中放入Al2O3-SiO2-SiC混合物，利用反应原位合成Sialon相，制备了Sialon结合SiC耐火材料。C.M.Ke以Si3N4-ZrSiO4-Al2O3混合物利用原位合成技术制备 O-Sialon-Al2O3耐火材料。

1.3自蔓延高温合成技术在耐火材料中的应用

随着自蔓延合成技术的不断发展，自蔓延合成技术在耐火材料领域也得到一定的应用。文献［8］研究表明，以菱镁矿、白云石和铬矿土等天然原料，利用制备的耐火材料用于铝熔炼炉炉衬，使用寿命长于常规耐火材料。利用自蔓延合成技术烧结法制备的Si3N4-SiC-TiN材料，其孔隙度为8%～15%，可用作高级耐火材料。

另外，SHS焊接技术也有一定的应用，其工艺过程是把合适的反应原料填进两耐火材料之间，通过SHS技术使中间原料发生反应，进而焊接两耐火材料。杨林福等［9］通过SHS技术分别合成了耐火材料β-SiC超细粉和莫来石制品，粉体比表面积为2.48 m2/g，d=0.87 μm。

1.4梯度功能材料（FGM）技术在耐火材料中的应用

梯度功能材料具有优异的性能，它所体现出的新颖的材料设计思想一经提出，立即引起世界各国材料科学工作者的高度重视，迄今为止，已探索出一些基本的研究方法，制备出许多体系的梯度功能材料。

冯改山［10］研究表明，梯度功能材料技术应用在耐火材料中，主要是基于铝熔炼炉内不同部位对耐火材料的使用性能和结构要求的不同，如铝熔炼用多层内衬材料，根据不同材料物理、化学性能来设计组分渐变的耐火材料。但要开发出经济的、应用面较广（大面积、形状复杂件）的FGM技术制备耐火材料工艺，还需作深入研究。

2　结语

这里对已经应用于和可能应用于耐火材料的几种新技术作了简介，期望引起更多的耐火材料研究者的兴趣，从而加强这方面的理论和应用的研究。目前，纳米科技在耐火材料中的应用尚处于初级阶段，技术、工艺还不太成熟，需要进一步探索和改进。纳米材料如能经过有效的化学、物理分散方法均匀地分散于混合物料中，对提高耐火材料的性能起到非常重要的作用。纳米材料如在纳米粉的分散问题上取得突破性进展，纳米科技将会得到巨大的发展。纳米科技在耐火材料市场的应用前景非常广阔。

［1］贾晓林，钟香崇.α-Al2O3纳米粉对高纯刚玉砖烧结性能的影响［J］.耐火材料，2005，39（5）：326-328.

［2］田明原，施尔畏，仲维卓，等.纳米陶瓷与纳米陶瓷粉末［J］.无机材料学报，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］吕春燕.原位生成Sialon增强Al2O3-SiC-C铁沟浇注料研究［D］.武汉：武汉科技大学，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］陈卫武，邹宗树，王元明，等.SiCw在Al2O3-C复合耐火材料中的原位生长［J］.硅酸盐学报，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］殷声.自蔓延高温合成技术和材料［M］.北京：冶金工业出版社，1995.

［9］杨林福，汪厚植，顾华志.自蔓延高温合成β-SiC超细粉［J］.耐火材料，1995，29（4）：192-195.

［10］冯改山.性能渐变材料原理及其应用于耐火材料的技术可能性.耐火材料，1994，28（5）：300～303.