纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 赵嘉亮罗旭东陈俊红谢志鹂 Progress in the application of nanotechnology to magnesia refractories ZHAO Jia-liang.LUO Xu-dong.CHEN Jun-hong.XIE Zhi-peng 引用本文： 赵嘉亮，罗旭东，陈俊红，谢志鹏.纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展工程科学学报，2021,43(1)：76-84.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.05.09.001 ZHAO Jia-liang,LUO Xu-dong.CHEN Jun-hong,XIE Zhi-peng.Progress in the application of nanotechnology to magnesia refractories[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(1):76-84.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.09.001 在线阅读View online::htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2020.05.09.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 功能化新型耐火材料的设计、制备及应用 Design,preparation,and application of new functional refractories 工程科学学报.2019.41(12：1520htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.04.033 钢包工作衬用耐火材料的研究现状及最新进展 Current research and latest developments on refractories used as ladle linings 工程科学学报.2019,41(6)：695 https::/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.001 镁碳砖的研究现状与发展趋势 Current research and developing trend of MgO-C bricks 工程科学学报.2018,40(3)：253 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.03.001 核壳结构复合吸波材料研究进展 Research progress of core-shell composite absorbing materials 工程科学学报.2019,41（⑤：547 https:oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.05.001 镁锂合金表面含碳陶瓷层的摩擦性能 Friction properties of C-containing ceramic coatings on an Mg-Li alloy 工程科学学报.2018.40(5：605 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.05.011 粉末冶金在高嫡材料中的应用 Applications of powder metallurgy technology in high-entropy materials 工程科学学报.2019,41(12：1501 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.04.035

纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 赵嘉亮 罗旭东 陈俊红 谢志鹏 Progress in the application of nanotechnology to magnesia refractories ZHAO Jia-liang, LUO Xu-dong, CHEN Jun-hong, XIE Zhi-peng 引用本文: 赵嘉亮, 罗旭东, 陈俊红, 谢志鹏. 纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(1): 76-84. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.09.001 ZHAO Jia-liang, LUO Xu-dong, CHEN Jun-hong, XIE Zhi-peng. Progress in the application of nanotechnology to magnesia refractories[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(1): 76-84. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.09.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.09.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 功能化新型耐火材料的设计、制备及应用 Design, preparation, and application of new functional refractories 工程科学学报. 2019, 41(12): 1520 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.04.033 钢包工作衬用耐火材料的研究现状及最新进展 Current research and latest developments on refractories used as ladle linings 工程科学学报. 2019, 41(6): 695 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.001 镁碳砖的研究现状与发展趋势 Current research and developing trend of MgO-C bricks 工程科学学报. 2018, 40(3): 253 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.001 核壳结构复合吸波材料研究进展 Research progress of core-shell composite absorbing materials 工程科学学报. 2019, 41(5): 547 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.001 镁锂合金表面含碳陶瓷层的摩擦性能 Friction properties of C-containing ceramic coatings on an Mg-Li alloy 工程科学学报. 2018, 40(5): 605 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.011 粉末冶金在高熵材料中的应用 Applications of powder metallurgy technology in high-entropy materials 工程科学学报. 2019, 41(12): 1501 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.04.035

工程科学学报.第43卷.第1期：76-84.2021年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.1:76-84,January 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.09.001;http://cje.ustb.edu.cn 纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 赵嘉亮”，罗旭东)四，陈俊红)，谢志鹏) 1)辽宁科技大学材料与治金学院，鞍山1140512)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000833)清华大学材料科学与工程学院， 北京100084 ☒通信作者，E-mail:luoxudongs@aliyun.com 摘要利用纳米技术制备复相镁质耐火材料，不仅可以缓解高温工业对高性能镁质材料的需求，而且又能实现镁质耐火材 料的轻质化和多功能化，进而达到提高产品附加值的目的.因此，利用纳米技术制备复相镁质耐火材料具有较高的研究意义， 从镁质耐火材料损毁机制的角度，综述了近年来国内外纳米技术在低碳镁碳质、镁钙质、镁铝质耐火材料中的研究现状和进 展，并且分析了纳米技术在镁质耐火材料中的作用机理，最后指出了纳米技术在镁质耐火材料中应用所面临的挑战和发展 方向. 关键词纳米技术：低碳镁碳质耐火材料：镁钙质耐火材料：镁铝质耐火材料：性能 分类号TQ175.7 Progress in the application of nanotechnology to magnesia refractories ZHAO Jia-liang,LUO Xu-dong CHEN Jun-hong,XIE Zhi-peng 1)School of Materials and Metallurgy,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,China 2)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)School of Materials Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China Corresponding author,E-mail:luoxudongs@aliyun.com ABSTRACT Magnesia refractories are promising high-temperature structural materials known for their high melting point,excellent high-temperature stability,and promising mechanical properties,which make them suitable for numerous high-temperature applications in steel manufacturing,metallurgy,building materials,and ceramics.However,traditional magnesia refractories do not meet the requirements established for advanced refractories.Low-carbon magnesia carbon refractories have several disadvantages,including poor slag and thermal shock resistances,owing to their reduced carbon content.Magnesia calcia refractories have poor hydration resistance due to the presence of free calcium oxide.Moreover,magnesia alumina refractories have poor sintering and mechanical properties owing to their volumes and thermal expansion mismatch.Therefore,the techniques used to prepare high-performance magnesia refractories have attracted widespread attention.Recently,nanotechnology has emerged as a promising new technology that is widely used improve refractory yield and in many other applications because of its excellent surface properties,small size,quantum dimensions,and macro quantum effects.The preparation of magnesia composite refractories using nanotechnology relieves the demand for high-performance magnesia refractories by high-temperature industries and also contributes to the development of lightweight and functional value-added products.Therefore,the use of nanotechnology in the preparation of magnesia composite refractories has great significance for the enhancement of their properties.In this paper,the research status and progress of nanotechnology in recent years with respect to the damage mechanisms in low-carbon magnesia-carbon refractories,magnesia calcia refractories,and magnesia alumina refractories in China and overseas were reviewed.In addition,the interaction mechanisms were analyzed,the challenges and developments in the 收稿日期：2020-05-09 基金项目：国家白然科学基金资助项目(51772139)：菱镁矿特色资源高效利用制备高性能耐火材料相关基础研究(U1908227)

纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 赵嘉亮1)，罗旭东1) 苣，陈俊红2)，谢志鹏3) 1) 辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山 114051    2) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083    3) 清华大学材料科学与工程学院， 北京 100084 苣通信作者，E-mail：luoxudongs@aliyun.com 摘    要    利用纳米技术制备复相镁质耐火材料，不仅可以缓解高温工业对高性能镁质材料的需求，而且又能实现镁质耐火材 料的轻质化和多功能化，进而达到提高产品附加值的目的. 因此，利用纳米技术制备复相镁质耐火材料具有较高的研究意义. 从镁质耐火材料损毁机制的角度，综述了近年来国内外纳米技术在低碳镁碳质、镁钙质、镁铝质耐火材料中的研究现状和进 展，并且分析了纳米技术在镁质耐火材料中的作用机理，最后指出了纳米技术在镁质耐火材料中应用所面临的挑战和发展 方向. 关键词    纳米技术；低碳镁碳质耐火材料；镁钙质耐火材料；镁铝质耐火材料；性能 分类号    TQ175.7 Progress in the application of nanotechnology to magnesia refractories ZHAO Jia-liang1) ，LUO Xu-dong1) 苣 ，CHEN Jun-hong2) ，XIE Zhi-peng3) 1) School of Materials and Metallurgy, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China 2) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China 苣 Corresponding author, E-mail: luoxudongs@aliyun.com ABSTRACT    Magnesia refractories are promising high-temperature structural materials known for their high melting point, excellent high-temperature stability, and promising mechanical properties, which make them suitable for numerous high-temperature applications in  steel  manufacturing,  metallurgy,  building  materials,  and  ceramics.  However,  traditional  magnesia  refractories  do  not  meet  the requirements established for advanced refractories. Low-carbon magnesia carbon refractories have several disadvantages, including poor slag and thermal shock resistances, owing to their reduced carbon content. Magnesia calcia refractories have poor hydration resistance due to the presence of free calcium oxide. Moreover, magnesia alumina refractories have poor sintering and mechanical properties owing to their volumes and thermal expansion mismatch. Therefore, the techniques used to prepare high-performance magnesia refractories have attracted widespread attention. Recently, nanotechnology has emerged as a promising new technology that is widely used improve refractory yield and in many other applications because of its excellent surface properties, small size, quantum dimensions, and macro quantum effects. The preparation of magnesia composite refractories using nanotechnology relieves the demand for high-performance magnesia refractories by high-temperature industries and also contributes to the development of lightweight and functional value-added products.  Therefore,  the  use  of  nanotechnology  in  the  preparation  of  magnesia  composite  refractories  has  great  significance  for  the enhancement of their properties. In this paper, the research status and progress of nanotechnology in recent years with respect to the damage  mechanisms  in  low-carbon  magnesia –carbon  refractories,  magnesia  calcia  refractories,  and  magnesia  alumina  refractories  in China  and  overseas  were  reviewed.  In  addition,  the  interaction  mechanisms  were  analyzed,  the  challenges  and  developments  in  the 收稿日期: 2020−05−09 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51772139）；菱镁矿特色资源高效利用制备高性能耐火材料相关基础研究（U1908227） 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期：76−84，2021 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 1: 76−84, January 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.09.001; http://cje.ustb.edu.cn

赵嘉亮等：纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 77 application of nanotechnology were discussed. KEY WORDS nanotechnology;low-carbon magnesia carbon refractories;magnesia calcia refractories;magnesia alumina refractories;performance 镁质耐火材料的主要原料是菱镁矿、白云石 镁碳质耐火材料由于碳含量较高，导致其在使用 和水镁石，其原料矿物在我国自然界中资源储备 过程中热量损耗大，易氧化，不利于洁净钢、特种 丰富，主要分布于辽宁、山东、河北等沿海地区， 钢等高品质钢材的生产，进而无法满足其使用要 为我国镁质耐火材料的发展提供了有利的资源基 求.因此，低碳化是镁碳耐火材料主要的发展趋 础，这也使中国成为世界上镁质耐火材料产量和 势.然而，对低碳镁碳质耐火材料而言，鉴于碳含 出口量最大的国家-.镁质耐火材料具有高熔 量较低，使其抗渣性和抗热震性变差，进而导致其 点、优异的高温体积稳定性、良好的力学性能等 毁坏形式主要是熔渣侵蚀和材料表面的开裂或剥 众多优点，已被广泛用于钢铁、冶金、建材、陶瓷 落⑧)因此，关于利用纳米技术制备高性能低碳 等高温工业领域.不同的高温工业领域对镁质 镁碳质耐火材料的研究将主要从抗渣性和抗热震 耐火材料的种类选择要求也不尽相同.一般而言， 性两个方面开展 镁质耐火材料按化学组成划分为镁碳质耐火材 1.1抗渣性 料、镁钙质耐火材料和镁铝质耐火材料等不同性 低碳镁碳质耐火材料主要是由镁砂、石墨、碳 质和用途的耐火材料.同时，不同种类镁质耐火材 质结合剂、抗氧化剂等成分组成复合材料，其中， 料的性能优劣是衡量高温工业窑炉能否保持长期 对利用纳米技术强化低碳镁碳砖抗渣性的研究主 正常稳定生产的决定性因素 要集中在纳米碳强化基质结构和纳米催化剂改性 为适应高温工业的迅速发展，高温工业对窑 碳质结合剂的两方面 炉炉衬材料的要求越来越高，传统的镁质耐火材 在镁碳质耐火材料低碳化过程中，纳米碳常 料已经无法达到高性能耐火材料的使用标准.利 作为原料引入，改善制品的抗渣性和抗热震性，其 用纳米技术制备高性能复相材料以改善材料的性 原因是纳米碳具有比表面积大、反应活性高和颗 能具有较高的研究价值.目前，纳米技术因其具有 粒尺寸小的特点，增强了颗粒间的直接结合强度 表面效应、小尺寸效应、量子尺寸和宏观量子隧道 纳米碳的引入可以起到以下的强化基质结构机 效应的特点，已经被广泛应用于耐火材料领域，并 制：(1)纳米碳颗粒的形状更加接近于球形，具有 成功制备轻质化和多功能化的复相耐火材料可利 良好的流动性，更好地促进烧结和填充空隙而提 用纳米技术制备复相镁质耐火材料，既可以缓解 高制品强度，进而达到提高制品抗渣性的目的 高温工业对高性能镁质材料的需求，又能实现镁 (2)纳米碳与材料成分之间原位生成晶须、纤维或 质耐火材料的轻质化和多功能化，进而达到提高 者陶瓷相，显著地增加了制品的强度，改善了熔渣 产品附加值的目的.毋庸置疑，纳米技术的出现为高 对制品的侵蚀性.Bg等[o以高纯电熔镁砂、天然 端镁质耐火材料的制备和改性提供了有利条件， 石墨、纳米炭黑等为原料，采用传统耐火材料烧结 基于此，对目前国内外纳米技术在不同化学组 工艺制备低碳镁碳质耐火材料，并比较纳米炭黑 成的镁质耐火材料中的研究现状进行了评述，阐 与天然石墨复合粉体制备的镁碳制品和传统镁碳 述了纳米技术在镁质耐火材料中的作用机理，同 制品之间的性能优劣.结果表明，与传统镁碳制品 时总结了关于纳米技术在镁质耐火材料中应用所 相比，加入的纳米炭黑（质量分数为0.9%）和天然 存在的问题，并对其未来发展方向进行了展望，为致 石墨（质量分数为0.3%）复合粉体的低碳镁碳制品 力于研究镁质耐火材料的学者们给予一定启发 具有相对较窄的粒度分布和更好的流动性，因此 1纳米技术在低碳镁碳质耐火材料中的应用 其具有更好的致密度和更高的力学强度，进而提 高制品的抵抗熔渣侵蚀能力，其原因可归结于纳 镁碳质耐火材料是一种主要用于转炉、电炉 米炭黑填充于大颗粒的堆积间隙，形成更紧密的 和钢包的炉衬材料向，其中碳在高温下冶炼钢水时 堆积.Ding等l以纳米炭黑、碳化硼和氧化铝为 起着非常关键的作用，这是由于碳具有热导率高、 原料制备纳米炭黑复合粉体使低碳镁碳质耐火材 热膨胀系数低和对熔渣的润湿性低等特点，从而 料表现出良好的抗渣性能.如图1所示，试样编号 提高了抗熔渣侵蚀性，改善了抗热震性)传统的 按照制备纳米炭黑复合粉体方式不同分为3组：

application of nanotechnology were discussed. KEY  WORDS    nanotechnology； low-carbon  magnesia  carbon  refractories； magnesia  calcia  refractories； magnesia  alumina refractories；performance 镁质耐火材料的主要原料是菱镁矿、白云石 和水镁石，其原料矿物在我国自然界中资源储备 丰富，主要分布于辽宁、山东、河北等沿海地区， 为我国镁质耐火材料的发展提供了有利的资源基 础，这也使中国成为世界上镁质耐火材料产量和 出口量最大的国家[1−2] . 镁质耐火材料具有高熔 点、优异的高温体积稳定性、良好的力学性能等 众多优点，已被广泛用于钢铁、冶金、建材、陶瓷 等高温工业领域[3−4] . 不同的高温工业领域对镁质 耐火材料的种类选择要求也不尽相同. 一般而言， 镁质耐火材料按化学组成划分为镁碳质耐火材 料、镁钙质耐火材料和镁铝质耐火材料等不同性 质和用途的耐火材料. 同时，不同种类镁质耐火材 料的性能优劣是衡量高温工业窑炉能否保持长期 正常稳定生产的决定性因素. 为适应高温工业的迅速发展，高温工业对窑 炉炉衬材料的要求越来越高，传统的镁质耐火材 料已经无法达到高性能耐火材料的使用标准. 利 用纳米技术制备高性能复相材料以改善材料的性 能具有较高的研究价值. 目前，纳米技术因其具有 表面效应、小尺寸效应、量子尺寸和宏观量子隧道 效应的特点，已经被广泛应用于耐火材料领域，并 成功制备轻质化和多功能化的复相耐火材料[5] . 利 用纳米技术制备复相镁质耐火材料，既可以缓解 高温工业对高性能镁质材料的需求，又能实现镁 质耐火材料的轻质化和多功能化，进而达到提高 产品附加值的目的. 毋庸置疑，纳米技术的出现为高 端镁质耐火材料的制备和改性提供了有利条件. 基于此，对目前国内外纳米技术在不同化学组 成的镁质耐火材料中的研究现状进行了评述，阐 述了纳米技术在镁质耐火材料中的作用机理，同 时总结了关于纳米技术在镁质耐火材料中应用所 存在的问题，并对其未来发展方向进行了展望，为致 力于研究镁质耐火材料的学者们给予一定启发. 1    纳米技术在低碳镁碳质耐火材料中的应用 镁碳质耐火材料是一种主要用于转炉、电炉 和钢包的炉衬材料[6] ，其中碳在高温下冶炼钢水时 起着非常关键的作用，这是由于碳具有热导率高、 热膨胀系数低和对熔渣的润湿性低等特点，从而 提高了抗熔渣侵蚀性，改善了抗热震性[7] . 传统的 镁碳质耐火材料由于碳含量较高，导致其在使用 过程中热量损耗大，易氧化，不利于洁净钢、特种 钢等高品质钢材的生产，进而无法满足其使用要 求. 因此，低碳化是镁碳耐火材料主要的发展趋 势. 然而，对低碳镁碳质耐火材料而言，鉴于碳含 量较低，使其抗渣性和抗热震性变差，进而导致其 毁坏形式主要是熔渣侵蚀和材料表面的开裂或剥 落[8−9] . 因此，关于利用纳米技术制备高性能低碳 镁碳质耐火材料的研究将主要从抗渣性和抗热震 性两个方面开展. 1.1    抗渣性 低碳镁碳质耐火材料主要是由镁砂、石墨、碳 质结合剂、抗氧化剂等成分组成复合材料，其中， 对利用纳米技术强化低碳镁碳砖抗渣性的研究主 要集中在纳米碳强化基质结构和纳米催化剂改性 碳质结合剂的两方面. 在镁碳质耐火材料低碳化过程中，纳米碳常 作为原料引入，改善制品的抗渣性和抗热震性，其 原因是纳米碳具有比表面积大、反应活性高和颗 粒尺寸小的特点，增强了颗粒间的直接结合强度. 纳米碳的引入可以起到以下的强化基质结构机 制：（1）纳米碳颗粒的形状更加接近于球形，具有 良好的流动性，更好地促进烧结和填充空隙而提 高制品强度，进而达到提高制品抗渣性的目的. （2）纳米碳与材料成分之间原位生成晶须、纤维或 者陶瓷相，显著地增加了制品的强度，改善了熔渣 对制品的侵蚀性. Bag 等[10] 以高纯电熔镁砂、天然 石墨、纳米炭黑等为原料，采用传统耐火材料烧结 工艺制备低碳镁碳质耐火材料，并比较纳米炭黑 与天然石墨复合粉体制备的镁碳制品和传统镁碳 制品之间的性能优劣. 结果表明，与传统镁碳制品 相比，加入的纳米炭黑（质量分数为 0.9%）和天然 石墨（质量分数为 0.3%）复合粉体的低碳镁碳制品 具有相对较窄的粒度分布和更好的流动性，因此 其具有更好的致密度和更高的力学强度，进而提 高制品的抵抗熔渣侵蚀能力，其原因可归结于纳 米炭黑填充于大颗粒的堆积间隙，形成更紧密的 堆积. Ding 等[11] 以纳米炭黑、碳化硼和氧化铝为 原料制备纳米炭黑复合粉体使低碳镁碳质耐火材 料表现出良好的抗渣性能. 如图 1 所示，试样编号 按照制备纳米炭黑复合粉体方式不同分为 3 组 ： 赵嘉亮等： 纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 · 77 ·

·78 工程科学学报，第43卷，第1期 MI M2 M3 (a) 40m 5 um (b) 6.1 5 4.4 4 30μm 54m 图2经1400℃炭化处理后基质试样的SEM照片.(a),(b)CNTs: (c).(d)CB四 MI M2 M3 Fig.2 SEM micrographs of fracture surfaces of MgO-C compositions Sample coked at 1400℃：(a)and(b)CNTs,(c)and(dCBg 图1低碳镁碳耐火材料的抗渣性.(a)抗侵蚀后试样的横截面： (b)抗侵蚀后试样的渗透深度 采用催化剂改性碳质结合剂原位合成碳纳米管、 Fig.1 Slag resistance of low-carbon MgO-C refractories:(a)cross 碳纳米纤维和陶瓷相的方法，可有效提高低碳镁 sections of the specimens after corrosion;(b)penetration depths of the specimens after corrosion 碳质耐火材料的性能.武汉科技大学王军凯]采 用原位合成法结合F、Co纳米颗粒催化酚醛树脂 M1是无复合粉体，M2是机械方法制备的复合粉 裂解工艺制备了强度大、缺陷少的碳纳米管.图3 体，M3是燃烧方法制备的复合粉体.结果表明，与 所示为在1000℃下保温3h,添加Fe(质量分数为 无复合粉体的试样相比，含纳米炭黑复合粉体的 1%)、Co(质量分数为1%)催化剂的产物的SEM 试样在抵抗熔渣侵蚀方面具有更强的性能，其原 照片.从微观结构上看出，碳纳米管呈现簇状分 因是纳米炭黑复合粉体比表面积大，促进烧结致 布，以相互交错形式包裹Mg0颗粒，堵塞颗粒内 密化，提高试样的结合强度，从而抵抗高温熔渣的 渗透.Zhu等I四l选用两种不同的纳米炭（碳纳米管 和纳米炭黑)研究了其种类对低碳镁碳质耐火材 料性能的影响.图2所示为经1400℃炭化处理 后，引入碳纳米管(CNTs)和纳米炭黑(CB)试样断 面的SEM照片.在SEM照片中观察到其内部原 位形成的片状（在CNTs中）或针刺状（在CB中） 5 um 1 um AIN和八面体形状MgA12O4的陶瓷相间相互穿插 缠绕，使材料更加致密，改善了试样的微观结构， 能有效阻止侵蚀反应的进一步进行 在传统碳镁质耐火材料中，不同颗粒间的结 合是借助煤焦油、沥青、酚醛树脂等碳质结合剂 的化学交联反应，而形成交联的网络结构充当桥 5μm 14m 梁的作用使颗粒间彼此相互交联，形成一定互锁 的网状结构.然而，低碳镁碳质耐火材料由于碳含 图3在1000℃下保温3h,催化剂的产物SEM照片.(a).(b)添加 Fe(质量分数为1%)：(c),(d)添加Co(质量分数为1%)明 量低，难于实现连续分布的网状结构，使颗粒间的 Fig.3 SEM images of final products obtained after 3 h at 1000 C using 直接结合强度降低，因此，碳质结合剂改性是影响 different catalysts:(a)and (b)mass fraction of Fe is 1%;(c)and (d)mass 低碳镁碳质耐火材料性能的关键因素之一，目前， fraction of Co is1%ll可

M1 是无复合粉体，M2 是机械方法制备的复合粉 体，M3 是燃烧方法制备的复合粉体. 结果表明，与 无复合粉体的试样相比，含纳米炭黑复合粉体的 试样在抵抗熔渣侵蚀方面具有更强的性能，其原 因是纳米炭黑复合粉体比表面积大，促进烧结致 密化，提高试样的结合强度，从而抵抗高温熔渣的 渗透. Zhu 等[12] 选用两种不同的纳米炭（碳纳米管 和纳米炭黑）研究了其种类对低碳镁碳质耐火材 料性能的影响. 图 2 所示为经 1400 ℃ 炭化处理 后，引入碳纳米管（CNTs）和纳米炭黑（CB）试样断 面的 SEM 照片. 在 SEM 照片中观察到其内部原 位形成的片状（在 CNTs 中）或针刺状（在 CB 中 ） AlN 和八面体形状 MgAl2O4 的陶瓷相间相互穿插 缠绕，使材料更加致密，改善了试样的微观结构， 能有效阻止侵蚀反应的进一步进行. 在传统碳镁质耐火材料中，不同颗粒间的结 合是借助煤焦油、沥青、酚醛树脂等碳质结合剂 的化学交联反应，而形成交联的网络结构充当桥 梁的作用使颗粒间彼此相互交联，形成一定互锁 的网状结构. 然而，低碳镁碳质耐火材料由于碳含 量低，难于实现连续分布的网状结构，使颗粒间的 直接结合强度降低，因此，碳质结合剂改性是影响 低碳镁碳质耐火材料性能的关键因素之一. 目前， 采用催化剂改性碳质结合剂原位合成碳纳米管、 碳纳米纤维和陶瓷相的方法，可有效提高低碳镁 碳质耐火材料的性能. 武汉科技大学王军凯[13] 采 用原位合成法结合 Fe、Co 纳米颗粒催化酚醛树脂 裂解工艺制备了强度大、缺陷少的碳纳米管. 图 3 所示为在 1000 ℃ 下保温 3 h，添加 Fe（质量分数为 1%） 、Co（质量分数为 1%）催化剂的产物的 SEM 照片. 从微观结构上看出，碳纳米管呈现簇状分 布，以相互交错形式包裹 MgO 颗粒，堵塞颗粒内 M1 M2 (a) M3 M1 M2 Sample Penetration depth/mm 7 6 5 4 3 2 1 0 (b) M3 6.1 5 4.4 图 1    低碳镁碳耐火材料的抗渣性. （a）抗侵蚀后试样的横截面； （b）抗侵蚀后试样的渗透深度[11] Fig.1     Slag  resistance  of  low-carbon  MgO –C  refractories:  (a)  cross sections  of  the  specimens  after  corrosion;  (b)  penetration  depths  of  the specimens after corrosion[11] (a) 40 μm (b) CNTs AlN 5 μm (c) 30 μm (d) AlN MgAl 5 μm 2O4 图 2    经 1400 ℃ 炭化处理后基质试样的 SEM 照片. （a），（b）CNTs； （c），（d）CB[12] Fig.2    SEM micrographs of fracture surfaces of MgO–C compositions coked at 1400 ℃: (a) and (b) CNTs; (c) and (d) CB[12] (a) 5 μm (b) 1 μm (c) 5 μm (d) 1 μm 图 3    在 1000 ℃ 下保温 3 h，催化剂的产物 SEM 照片. （a），（b）添加 Fe（质量分数为 1%）；（c），（d）添加 Co（质量分数为 1%） [13] Fig.3    SEM images of final products obtained after 3 h at 1000 ℃ using different catalysts: (a) and (b) mass fraction of Fe is 1%; (c) and (d) mass fraction of Co is 1% [13] · 78 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期

赵嘉亮等：纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 79… 部气孔，导致材料强度增加，进而改善制品的抗熔 扩展阻力吲低碳镁碳质耐火材料的增韧方式主 渣侵蚀.Rastegar等l研究采用纳米Fe改性的酚 要有两种：(1)裂纹偏转增韧，纳米粉体以原料或 醛树脂作为结合剂，制备低碳镁碳质耐火材料，通 添加剂形式引入，其引入的纳米粉体弥散分布于 过SEM照片发现（图4），用纳米Fe(质量分数为 颗粒内或颗粒间，会形成大量的次界面，并且起到 7%)改性酚醛树脂的试样(MC3),在1000~ 钉扎位错作用，使裂纹扩展路径变得更加曲折，延 1400℃下原位生成大量的碳纳米管(CNTs)、Mg0 长裂纹扩展的途径，导致裂纹在扩展过程中消耗 晶须、MgA12O4晶须和A14C3陶瓷相，增强了网状 的能力增多，材料的断裂韧性增加.(2)裂纹桥接 结构的结合强度，正是这个原因提高了低碳镁碳 增韧，向耐火材料的骨料中引入纳米颗粒，可原位 质耐火材料的抗熔渣侵蚀能力.图5所示为原位 形成纤维、晶须和陶瓷相的桥接组元，当裂纹扩展 形成Al4C3陶瓷相、MgAl2O4晶须和MgO0晶须反 过程中遇到较大的桥接组元时，其存在较大桥接 应机理的示意图 组元相当于两个相对的裂纹面之间架起了一座桥 1.2抗热震性能 梁，增加了裂纹扩展的阻力.若裂纹继续进一步扩 低碳镁碳质耐火材料除要求具有良好的抗渣 展，桥接组元的破坏是以从基体中拔出的方式，此 性外，还需要制品具有一定良好的抗热震性，这是 拨出过程中会消耗大量的能量，提高制品的断裂 由于降低碳含量使抗热震性能剧烈下降.抗热震 韧性，从而其改善抗热震性能 性能既是衡量耐火材料的一个重要的指标，也是 Ding等u发现采用多层纳米石墨-镁铝尖晶 镁碳砖在低碳使用过程中一个关键的研究方向. 石复合添加剂制备试样，具有较高的常温抗折强 纳米粉体颗粒由于具有尺寸小、表面能大和弥散 度和残余强度，该复合添加剂的引入可抑制品粒 度大的特点，有利于颗粒间相对滑移，可改善其抗 长大，缓解由于自身结构不均匀而产出的热应力， 热震性能.因此利用纳米技术改善低碳镁碳质耐 同时镁铝尖晶石作为第二相，起到裂纹偏转增韧 火材料的抗热震性能而备受关注 的作用（图6）.Zhu等7利用含A1和Ni催化剂改 利用纳米技术提高低碳镁碳质耐火材料的抗 性的酚醛树脂作为结合剂，在低碳镁碳质耐火材 热震性能，实质就是增加材料的断裂韧性，可通过 料中原位形成具有较高强度和弹性模量的碳纳米 调整材料的显微结构，以进一步提高材料的裂纹 管和陶瓷相，在碳纳米管和陶瓷相的钉扎和互锁 m 2 um 5 um 图4MC3试样在不同温度下的FESEM照片.(a)1000℃：(b)1200℃：(c)1400℃4 Fig.4 FESEM images of MC3 samples coked at:(a)1000℃：(b)1200℃，(c)1400℃4 (a) (b) (c) CO CNTs MgAl,O MgO ○Fe nano-particle whiskers whiskers C'Dissolved carbon in Fe O°Adsorbed O Mg'Dissolved or adsorbed Mg Al Dissolved or adsorbed Al 图5反应机理示意图.(a)碳纳米管表面形成Al,C3涂层；(b)通过气-液-固机制形成MgAl.O,晶须：(c)通过气-液-固机制形成MgO品须叫 Fig.5 Schematics of reaction mechanisms:(a)Al C;coating on the CNTs;(b)MgAl2O,whiskers by the V-L-S mechanism;(c)MgO whiskers by the V- L-S mechanism4l

部气孔，导致材料强度增加，进而改善制品的抗熔 渣侵蚀. Rastegar 等[14] 研究采用纳米 Fe 改性的酚 醛树脂作为结合剂，制备低碳镁碳质耐火材料，通 过 SEM 照片发现（图 4），用纳米 Fe（质量分数为 7%） 改 性 酚 醛 树 脂 的 试 样 （ MC3） ， 在 1000～ 1400 ℃ 下原位生成大量的碳纳米管（CNTs）、MgO 晶须、MgAl2O4 晶须和 Al4C3 陶瓷相，增强了网状 结构的结合强度，正是这个原因提高了低碳镁碳 质耐火材料的抗熔渣侵蚀能力. 图 5 所示为原位 形成 Al4C3 陶瓷相、MgAl2O4 晶须和 MgO 晶须反 应机理的示意图. 1.2    抗热震性能 低碳镁碳质耐火材料除要求具有良好的抗渣 性外，还需要制品具有一定良好的抗热震性，这是 由于降低碳含量使抗热震性能剧烈下降. 抗热震 性能既是衡量耐火材料的一个重要的指标，也是 镁碳砖在低碳使用过程中一个关键的研究方向. 纳米粉体颗粒由于具有尺寸小、表面能大和弥散 度大的特点，有利于颗粒间相对滑移，可改善其抗 热震性能. 因此利用纳米技术改善低碳镁碳质耐 火材料的抗热震性能而备受关注. 利用纳米技术提高低碳镁碳质耐火材料的抗 热震性能，实质就是增加材料的断裂韧性，可通过 调整材料的显微结构，以进一步提高材料的裂纹 扩展阻力[15] . 低碳镁碳质耐火材料的增韧方式主 要有两种：（1）裂纹偏转增韧，纳米粉体以原料或 添加剂形式引入，其引入的纳米粉体弥散分布于 颗粒内或颗粒间，会形成大量的次界面，并且起到 钉扎位错作用，使裂纹扩展路径变得更加曲折，延 长裂纹扩展的途径，导致裂纹在扩展过程中消耗 的能力增多，材料的断裂韧性增加. （2）裂纹桥接 增韧，向耐火材料的骨料中引入纳米颗粒，可原位 形成纤维、晶须和陶瓷相的桥接组元，当裂纹扩展 过程中遇到较大的桥接组元时，其存在较大桥接 组元相当于两个相对的裂纹面之间架起了一座桥 梁，增加了裂纹扩展的阻力. 若裂纹继续进一步扩 展，桥接组元的破坏是以从基体中拔出的方式，此 拨出过程中会消耗大量的能量，提高制品的断裂 韧性，从而其改善抗热震性能. Ding 等[16] 发现采用多层纳米石墨-镁铝尖晶 石复合添加剂制备试样，具有较高的常温抗折强 度和残余强度，该复合添加剂的引入可抑制晶粒 长大，缓解由于自身结构不均匀而产出的热应力， 同时镁铝尖晶石作为第二相，起到裂纹偏转增韧 的作用（图 6）. Zhu 等[17] 利用含 Al 和 Ni 催化剂改 性的酚醛树脂作为结合剂，在低碳镁碳质耐火材 料中原位形成具有较高强度和弹性模量的碳纳米 管和陶瓷相，在碳纳米管和陶瓷相的钉扎和互锁 1 μm (a) CNTs Al4C3 2 μm (b) Spinel Al4C3 Al2O3 5 μm (c) Spinel whiskers 图 4    MC3 试样在不同温度下的 FESEM 照片. （a）1000 ℃；（b）1200 ℃；（c）1400 ℃[14] Fig.4    FESEM images of MC3 samples coked at: (a) 1000 ℃; (b) 1200 ℃; (c) 1400 ℃[14] Al4C3 Al4C3 Fe CNTs (a) Al(g) Al(g) (b) Al(g) Mg(g) Fe nano-particle Dissolved or adsorbed Al(g) Dissolved or adsorbed Mg(g) Adsorbed O Dissolved carbon in Fe MgAl2O4 whiskers Al* Al* O* O* O* O* O* C* C* C* C* C* Mg* Mg* CO (c) Mg(g) MgO whiskers O* O* O* O* C* C* C* C* Mg* CO 图 5    反应机理示意图. （a）碳纳米管表面形成 Al4C3 涂层；（b）通过气–液–固机制形成 MgAl2O4 晶须；（c）通过气–液–固机制形成 MgO 晶须[14] Fig.5    Schematics of reaction mechanisms: (a) Al4C3 coating on the CNTs; (b) MgAl2O4 whiskers by the V-L-S mechanism; (c) MgO whiskers by the V￾L-S mechanism[14] 赵嘉亮等： 纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 · 79 ·

80 工程科学学报，第43卷，第1期 Crack 火材料寿命，进而使性能大幅度提升 在镁钙质耐火材料中，纳米粉体作为添加剂 引入，来提高其抗水化性能.该作用机理主要有两 种途径，其一是引入纳米颗粒与游离CaO反应形 Graphite 成低熔点相，促进烧结致密化，使晶粒长大，减少 粒界的接触概率，消耗基体中的游离CaO,从而起 到防水化作用.Shahraki等22研究不同粒级的 MgO particle A12O3添加剂对镁钙质耐火材料性能的影响.结果 表明，添加纳米级A12O3的试样的抗水化性能明显 Multilayer graphene/MgAl,O composite powder 好于添加微米级A12O3的试样.纳米级Al2O3可以 图6在基质中裂纹扩展示意图61 提高镁钙质耐火材料抗水化性的主要原因是，纳 Fig.Schematic of crack propagation in the matrix 米级A1O3能堵住气孔，提高试样的致密性，并与 游离CaO反应生成铝酸三钙(C3A)液相包裹在颗 结构的协同作用下，很好地改善了制品的力学性 粒周围，也能与MgO反应形成MgALO,(MA),防 能和抗热震性能.Wwei等II以纳米Fe改性的酚醛 止在高温下异常晶粒的长大，从而更加优化抗水 树脂为结合剂，采用原位合成法制备的镁碳质耐 化性能（图8）.Dehsheish23以菱镁矿、白云石为研 火材料具有优异的综合性能.从图7所示的试样 究对象，以纳米Fe2O3为添加剂制备镁钙质耐火材 强度和韧性模型中可以发现，镁碳质耐火材料强 料，并经XRD和SEM检测发现，CF(CaO-Fe2O3) 度和韧性的提高机制可归因于原位形成碳纳米管 和C2F(2 CaO-Fe2O,)液相存在于MgO和CaO颗粒 的桥接和裂纹偏转 间，增强了烧结性能和抗水化性能，其原因是形成 (a) (b) 的CF和C2F液相消耗了基体中的游离CaO,促进 ip of the crack 致密化，改善微观结构，阻止其进一步水化 其二是引入纳米颗粒在耐火材料的表面形成 一层次界面，阻断了外界环境与镁钙质耐火材料 的表面直接接触，以提高抗水化性能.Ghasemi-- Kahrizsangi等发现在镁钙质耐火材料中引入纳 Crack CNTs 米ZrO2,在较低温度下与CaO反应而形成CaZrO3 图7试样强度和增韧模型.(a)未掺杂Fe:(b)掺杂Fe国 的次界面，能够有效地阻止大气与耐火材料表面 Fig.7 Models of strength and toughness improvements in specimens: 的直接接触，达到抗水化的效果.与此同时， (a)undoped Fe;(b)doped Fel Ghasemi--Kahrizsangi的课题组2又研究了不同含 2纳米技术在镁钙质耐火材料中的应用 量的纳米MgAl2O4对镁钙质纳米材料的烧结性能 和抗水化性能的影响.结果表明，在高温下基体内 镁钙质耐火材料是一种以MgO为主要成分并 出现C3A(3 CaOAl2O3)和CA(CaO Al2O3)液相，加 含有部分Ca0的碱性耐火材料，具有耐火度高、 快了物质传递，促进了试样的烧结，消耗了游离 抗渣性强以及良好的净化钢水等性能叭镁钙质 CO,抑制其水化.另外，在薄弱的三相点交界处， 耐火材料因其优良的特性而越来越受到青睐，尤 形成具有一定厚度的纳米MgA12O4覆盖层，以阻 其广泛应用于冶炼洁净钢、不锈钢、特种钢等高 止其材料表面与大气直接接触. 性能钢的精炼设备的关键区域，以保证精炼设备 综上所述，引入纳米Al2O3、纳米Fe2O3等纳 能够实现长期稳定运转和提高其炉衬的使用寿 米颗粒可与游离CO反应形成低熔点相，促进晶 命.然而，在镁钙质耐火材料中，游离CaO由于发 粒长大，减少颗粒表面与大气接触机率，而提高抗 生水化反应而体积膨胀，导致其在工作面产生龟 水化性能，但是需要通过调整纳米颗粒的含量，进 裂以及局部的剥落，最终促使材料不能进一步使 而控制液相含量，避免由于大量的液相存在而降 用20-2)抗水化性差是制约镁钙质耐火材料安全 低耐火材料的耐火度，使材料无法达到工作使用 运行和效能发挥的因素.因此，该领域技术人员尝 的要求.引入纳米ZO2、纳米MgAl2O4等纳米颗 试利用纳米技术改善抗水化性能来实现镁钙质耐 粒形成一个保护层，以隔绝与空气的直接接触，从

结构的协同作用下，很好地改善了制品的力学性 能和抗热震性能. Wei 等[18] 以纳米 Fe 改性的酚醛 树脂为结合剂，采用原位合成法制备的镁碳质耐 火材料具有优异的综合性能. 从图 7 所示的试样 强度和韧性模型中可以发现，镁碳质耐火材料强 度和韧性的提高机制可归因于原位形成碳纳米管 的桥接和裂纹偏转. (a) MgO MgO Crack Crack CNTs CNTs Tip of the crack MgO MgO MgO MgO σ σ (b) σ σ 图 7    试样强度和增韧模型. （a）未掺杂 Fe；（b）掺杂 Fe[18] Fig.7     Models  of  strength  and  toughness  improvements  in  specimens: (a) undoped Fe; (b) doped Fe[18] 2    纳米技术在镁钙质耐火材料中的应用 镁钙质耐火材料是一种以 MgO 为主要成分并 含有部分 CaO 的碱性耐火材料，具有耐火度高、 抗渣性强以及良好的净化钢水等性能[19] . 镁钙质 耐火材料因其优良的特性而越来越受到青睐，尤 其广泛应用于冶炼洁净钢、不锈钢、特种钢等高 性能钢的精炼设备的关键区域，以保证精炼设备 能够实现长期稳定运转和提高其炉衬的使用寿 命. 然而，在镁钙质耐火材料中，游离 CaO 由于发 生水化反应而体积膨胀，导致其在工作面产生龟 裂以及局部的剥落，最终促使材料不能进一步使 用[20−21] . 抗水化性差是制约镁钙质耐火材料安全 运行和效能发挥的因素. 因此，该领域技术人员尝 试利用纳米技术改善抗水化性能来实现镁钙质耐 火材料寿命，进而使性能大幅度提升. 在镁钙质耐火材料中，纳米粉体作为添加剂 引入，来提高其抗水化性能. 该作用机理主要有两 种途径，其一是引入纳米颗粒与游离 CaO 反应形 成低熔点相，促进烧结致密化，使晶粒长大，减少 粒界的接触概率，消耗基体中的游离 CaO，从而起 到防水化作用 . Shahraki 等 [22] 研究不同粒级 的 Al2O3 添加剂对镁钙质耐火材料性能的影响. 结果 表明，添加纳米级 Al2O3 的试样的抗水化性能明显 好于添加微米级 Al2O3 的试样. 纳米级 Al2O3 可以 提高镁钙质耐火材料抗水化性的主要原因是，纳 米级 Al2O3 能堵住气孔，提高试样的致密性，并与 游离 CaO 反应生成铝酸三钙（C3A）液相包裹在颗 粒周围，也能与 MgO 反应形成 MgAl2O4（MA），防 止在高温下异常晶粒的长大，从而更加优化抗水 化性能（图 8）. Dehsheish[23] 以菱镁矿、白云石为研 究对象，以纳米 Fe2O3 为添加剂制备镁钙质耐火材 料，并经 XRD 和 SEM 检测发现，CF（CaO·Fe2O3） 和 C2F（2CaO·Fe2O3）液相存在于 MgO 和 CaO 颗粒 间，增强了烧结性能和抗水化性能，其原因是形成 的 CF 和 C2F 液相消耗了基体中的游离 CaO，促进 致密化，改善微观结构，阻止其进一步水化. 其二是引入纳米颗粒在耐火材料的表面形成 一层次界面，阻断了外界环境与镁钙质耐火材料 的表面直接接触，以提高抗水化性能. Ghasemi￾Kahrizsangi 等[24] 发现在镁钙质耐火材料中引入纳 米 ZrO2，在较低温度下与 CaO 反应而形成 CaZrO3 的次界面，能够有效地阻止大气与耐火材料表面 的直接接触 ，达到抗水化的效果 . 与此同时 ， Ghasemi-Kahrizsangi 的课题组[25] 又研究了不同含 量的纳米 MgAl2O4 对镁钙质纳米材料的烧结性能 和抗水化性能的影响. 结果表明，在高温下基体内 出现 C3A（3CaO·Al2O3）和 CA（CaO·Al2O3）液相，加 快了物质传递，促进了试样的烧结，消耗了游离 CaO，抑制其水化. 另外，在薄弱的三相点交界处， 形成具有一定厚度的纳米 MgAl2O4 覆盖层，以阻 止其材料表面与大气直接接触. 综上所述，引入纳米 Al2O3、纳米 Fe2O3 等纳 米颗粒可与游离 CaO 反应形成低熔点相，促进晶 粒长大，减少颗粒表面与大气接触机率，而提高抗 水化性能，但是需要通过调整纳米颗粒的含量，进 而控制液相含量，避免由于大量的液相存在而降 低耐火材料的耐火度，使材料无法达到工作使用 的要求. 引入纳米 ZrO2、纳米 MgAl2O4 等纳米颗 粒形成一个保护层，以隔绝与空气的直接接触，从 Crack MgO particle Graphite Multilayer graphene/MgAl2O4 composite powder 图 6    在基质中裂纹扩展示意图[16] Fig.6    Schematic of crack propagation in the matrix[16] · 80 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期

赵嘉亮等：纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 81 100um 100m (c) (d) 100m 100m 图8试样SEM的照片.(a)nano-MA(质量分数为2%)：(b)nano-MA(质量分数为4%)：(c)nano-MA(质量分数为6%)：(d)nano-MA(质量分数为 8%)4 Fig.8 SEM images of samples containing (a)mass fraction of nano-MA is 2%;(b)mass fraction of nano-MA is 4%;(c)mass fraction of nano-MA is 6%:(d)mass fraction of nano-MA is 而起到防水化作用，但是由于这些纳米颗粒与基 量增加，微裂纹缺陷和强度损失增加，难以满足高 体颗粒之间热膨胀系数不匹配，易形成热应力，从 温行业发展别因此，纳米技术是获得具有优异烧 而更容易产生裂纹、分层、脱离等现象，导致不能 结性能、力学性能和抗热震性能镁铝质耐火材料 进一步使用.因此，在利用纳米技术改善镁钙质耐 的有效解决途径 火材料方面，尽管科研学者已经进行了大量的研 2800 究，但仍然处于探索究阶段，工艺参数还需要进一 Liquid 步优化. Liquid+Spinel 1200 Liquid+Periclase 3纳米技术在镁铝质耐火材料中的应用 2000-Periclase Spinel 如图9所示为Mg0-Al2O3二元相图26该二 1600 元相图是制备不同应用类型镁铝质耐火材料的 Periclase+Corundum Spinel+ 重要依据.在此相图中，MgA12O4相是镁铝质耐火 Corundum 材料的核心物相，也是MgOAI2O3二元相图中唯一 60 010203040506070 8090100 的二元化合物.它属于典型的尖晶石结构，其 Al.O;mass fraction/% Mg一O或A1一O以离子键方式相互键合，且静电 图9Mg0-Al203二元相图四 键强度相等而结构稳定，使其具有高熔点、低热膨 Fig.9 Binary phase diagram of Mgo-Al2O 胀系数、良好的机械强度和耐熔渣侵蚀性等优良 利用纳米技术协同提升镁铝质耐火材料的烧 的性能2-29然而，采用传统工艺（即大颗粒的 结性能、力学性能和抗热震性能，主要在于两方 Mg0和Al2O3经过高温烧结而制备MgA12O4)存在 面：其一，纳米颗粒具有表面效应和小尺寸效应，可 大量的缺陷，导致镁铝质耐火材料尚存在以下难 以降低Mg0和AlO3之间的接触点，缩短颗粒间 点：一方面是烧结性能差，由于尖晶石形成过程会 扩散距离，促进制品烧结，提高力学强度.Gu等2 伴随5%~8%的体积膨胀效应，微观结构存在大 以轻烧镁粉为原料，纳米A1203为添加剂，在1200~ 量初始裂纹与微气孔，很难制备致密的制品01：另 1500℃的烧结温度下，原位反应制备了MgAl2O4 一方面是力学性能较差，由于方镁石和尖晶石热 Mg0复合耐火材料.图10所示为纳米Al2O3与微 膨胀系数相差较大而产生微裂纹，在一定程度上 米Mg0原位形成纳米MgAl2O4(MA)的过程.纳 可提高其抗热震性能，但是随着大颗粒尖晶石含 米A12O3不仅具有较高的比表面积，而且其填充性

而起到防水化作用，但是由于这些纳米颗粒与基 体颗粒之间热膨胀系数不匹配，易形成热应力，从 而更容易产生裂纹、分层、脱离等现象，导致不能 进一步使用. 因此，在利用纳米技术改善镁钙质耐 火材料方面，尽管科研学者已经进行了大量的研 究，但仍然处于探索究阶段，工艺参数还需要进一 步优化. 3    纳米技术在镁铝质耐火材料中的应用 如图 9 所示为 MgO−Al2O3 二元相图[26] . 该二 元相图是制备不同应用类型镁铝质耐火材料的 重要依据. 在此相图中，MgAl2O4 相是镁铝质耐火 材料的核心物相，也是 MgOAl2O3 二元相图中唯一 的二元化合物. 它属于典型的尖晶石结构 ，其 Mg—O 或 Al—O 以离子键方式相互键合，且静电 键强度相等而结构稳定，使其具有高熔点、低热膨 胀系数、良好的机械强度和耐熔渣侵蚀性等优良 的性能[27−29] . 然而，采用传统工艺（即大颗粒的 MgO 和 Al2O3 经过高温烧结而制备 MgAl2O4）存在 大量的缺陷，导致镁铝质耐火材料尚存在以下难 点：一方面是烧结性能差，由于尖晶石形成过程会 伴随 5%～8% 的体积膨胀效应，微观结构存在大 量初始裂纹与微气孔，很难制备致密的制品[30] ；另 一方面是力学性能较差，由于方镁石和尖晶石热 膨胀系数相差较大而产生微裂纹，在一定程度上 可提高其抗热震性能，但是随着大颗粒尖晶石含 量增加，微裂纹缺陷和强度损失增加，难以满足高 温行业发展[31] . 因此，纳米技术是获得具有优异烧 结性能、力学性能和抗热震性能镁铝质耐火材料 的有效解决途径. 2800 1600 600 0 10 20 30 40 Al2O3 mass fraction/% Periclase+Corundum Periclase Liquid+Periclase Liquid+Spinel Liquid Spinel+ Corundum Spinel Temperature/ ℃ 50 60 70 80 90 100 1200 2000 图 9    MgO−Al2O3 二元相图[26] Fig.9    Binary phase diagram of MgO–Al2O3 [26] 利用纳米技术协同提升镁铝质耐火材料的烧 结性能、力学性能和抗热震性能，主要在于两方 面：其一，纳米颗粒具有表面效应和小尺寸效应，可 以降低 MgO 和 Al2O3 之间的接触点，缩短颗粒间 扩散距离，促进制品烧结，提高力学强度. Gu 等[32] 以轻烧镁粉为原料，纳米 Al2O3 为添加剂，在 1200～ 1500 ℃ 的烧结温度下，原位反应制备了 MgAl2O4 - MgO 复合耐火材料. 图 10 所示为纳米 Al2O3 与微 米 MgO 原位形成纳米 MgAl2O4（MA）的过程. 纳 米 Al2O3 不仅具有较高的比表面积，而且其填充性 C 100 μm (b) C3A P C 100 μm (a) C3A P C 100 μm (d) P MA 100 μm C (c) C3A P MA MA 图 8    试样 SEM 的照片. （a）nano-MA（质量分数为 2%）；（b）nano-MA（质量分数为 4%）；（c）nano-MA（质量分数为 6%）；（d）nano-MA（质量分数为 8%） [22] Fig.8    SEM images of samples containing (a) mass fraction of nano-MA is 2%; (b) mass fraction of nano-MA is 4%; (c) mass fraction of nano-MA is 6%; (d) mass fraction of nano-MA is 8% [22] 赵嘉亮等： 纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 · 81 ·

82 工程科学学报，第43卷，第1期 和压实效果更佳，因此，与MgO接触时具有较高 料.结果表明，通过液相法制备的纳米MgO-MgA12O4 的速率，可形成均匀分布的纳米MA,降低其合成 复相耐火材料晶粒尺寸小、粒径分布窄、热膨胀 温度，颗粒间结合力更强，改善了其烧结性能和力 系数小、力学强度较高，并在微观结构中存在少量 学性能.图11所示为纳米MA裂纹扩展机理.在 的初始微裂纹 裂纹扩展过程中，纳米MA颗粒的存在会导致扩 4总结与展望 展方向发生变化，使得裂纹扩展路径延长，消耗裂 纹扩展过程所需的能量增多，从而提高抗热震性 纳米技术在镁质耐火材料中的应用，给镁质 能.Sako等31提出使用纳米Al2O3和纳米Mg0为 耐火材料的制备带来了革命性的变化.利用纳米 原料制备镁铝质耐火材料，该试样中由于存在原 技术在改善低碳镁碳质耐火材料的抗渣性和抗热 位合成MgAl,O4,显著降低了由于体积膨胀产生的 震性、镁钙质耐火材料的抗水化性以及镁铝质耐 应力，而且使烧结性能和力学性能均得到明显 火材料的烧结性能和力学性能等方面已经取得了 提高 进一步的提高和延伸，使镁质耐火材料的发展进 入了一个新的时期.但仍处于不完全成熟的阶段， -Mg0一Al,O3◆一MA 面临着许多亟需解决的关键问题，这些关键问题 的好坏将直接影响纳米技术在镁质耐火材料中的 Firing 发展空间和发展速度，主要表现在以下方面： (1)纳米材料的分散性.在球磨混料过程中， 当粒子尺寸达到纳米尺度时，纳米颗粒的表面上 图10在氧化镁骨料中原位形成纳米MA过程网 正负电荷集聚，且其比表面积和表面能增大而处 Fig.10 Schematic of the in-situ formation of nano-sized MA in magnesia aggregatesz 于能量不稳定状态，在颗粒间普遍存在的范德华 力和库仑力的共同作用下，纳米粉体颗粒间容易 0 凝聚并团聚形成二次大颗粒.如果不加以分散而 0 直接混料，存在的团聚二次颗粒将导致晶粒异常 Microcrack ◇0 4 0 Crack 长大，造成性能的劣化，同时团聚纳米粉体颗粒间 0。 0 branching 彼此间形成微孔结构，降低烧结致密度 Crack 0 4 0 (2)纳米材料与镁质耐火材料基体的相容性. 00 制备高性能的镁质耐火材料必须要考虑的关键问 Periclase MA 题是纳米材料与镁质耐火材料基体之间的界面相 图11裂纹扩展机理四 互作用，即分散相与基体相的相容性，以及热学性 Fig.11 Schematic of the mechanism of crack propagation 能的匹配.通过控制两种材料的相容性和热性能 其二，调控微裂纹长度与晶粒尺寸的关系是 匹配优化镁质耐火材料的结构和功能，以实现一 控制镁铝质耐火材料烧结性能、力学性能和抗热 种性能优异的结构-功能一体化镁质复相耐火材料 震性能三者之间关系的关键.当晶粒尺寸大于临 (3)纳米材料对镁质耐火材料的经济适用性 界晶粒尺寸时，材料内部就会出现裂纹，裂纹长度 纳米材料制备工艺复杂，且价格比较昂贵，并对纳 随着晶粒尺寸增加而增加，晶粒尺寸达到一定程 米材料制品纯度要求较高，导致镁质耐火材料的 度，裂纹相互贯通形成网状结构，使材料在服役条 生产成本增加.对于大规模耐火材料制造商来说， 件下的强度几乎丧失，对于使用纳米级原料，可以 成本效应也是企业的主要要求之一，纳米技术在 减少材料内部的微裂纹长度和数量，纳米级颗粒 镁质耐火材料中的应用必须事先仔细分析. 更容易缓冲热应力，提高材料的强度和韧性.Aksl 总之，随着钢铁、水泥、石油和化工等高温工 等B发现使用纳米级原料制备方镁石-尖晶石复 业的高速发展，纳米技术在镁质耐火材料中的应 相耐火材料能够表现出更加优良的综合性能，这 用有巨大的发展空间，市场急切需要更为洁净和 可归因于纳米原料可有效抑制由方镁石相和MA 高性能的镁质耐火材料来保障高温行业的发展， 相热膨胀不匹配而产生的裂纹尺寸.Shafiee等B时 这就要求镁质耐火材料除了高熔点、高密度和低 以MgNO326H2O和A1NO339HO为原料，采用 气孔率外，还需要有良好的抗侵蚀性能、抗热性能 液相法制备高性能的MgO-MgAl2O,复相耐火材 和一定的机械强度，同时要兼顾经济的适用性.因

和压实效果更佳，因此，与 MgO 接触时具有较高 的速率，可形成均匀分布的纳米 MA，降低其合成 温度，颗粒间结合力更强，改善了其烧结性能和力 学性能. 图 11 所示为纳米 MA 裂纹扩展机理. 在 裂纹扩展过程中，纳米 MA 颗粒的存在会导致扩 展方向发生变化，使得裂纹扩展路径延长，消耗裂 纹扩展过程所需的能量增多，从而提高抗热震性 能. Sako 等[33] 提出使用纳米 Al2O3 和纳米 MgO 为 原料制备镁铝质耐火材料，该试样中由于存在原 位合成 MgAl2O4，显著降低了由于体积膨胀产生的 应力，而且使烧结性能和力学性能均得到明显 提高. MgO Firing MgO MA Al2O3 图 10    在氧化镁骨料中原位形成纳米 MA 过程[32] Fig.10     Schematic  of  the in-situ formation  of  nano-sized  MA  in magnesia aggregates[32] Crack branching MA Crack Microcrack Periclase 图 11    裂纹扩展机理[32] Fig.11    Schematic of the mechanism of crack propagation[32] 其二，调控微裂纹长度与晶粒尺寸的关系是 控制镁铝质耐火材料烧结性能、力学性能和抗热 震性能三者之间关系的关键. 当晶粒尺寸大于临 界晶粒尺寸时，材料内部就会出现裂纹，裂纹长度 随着晶粒尺寸增加而增加，晶粒尺寸达到一定程 度，裂纹相互贯通形成网状结构，使材料在服役条 件下的强度几乎丧失，对于使用纳米级原料，可以 减少材料内部的微裂纹长度和数量，纳米级颗粒 更容易缓冲热应力，提高材料的强度和韧性. Aksel 等[34] 发现使用纳米级原料制备方镁石−尖晶石复 相耐火材料能够表现出更加优良的综合性能，这 可归因于纳米原料可有效抑制由方镁石相和 MA 相热膨胀不匹配而产生的裂纹尺寸. Shafiee 等[35] 以 Mg(NO3 )2 ·6H2O 和 Al(NO3 )3 ·9H2O为原料，采用 液相法制备高性能的 MgO−MgAl2O4复相耐火材 料. 结果表明，通过液相法制备的纳米MgO–MgAl2O4 复相耐火材料晶粒尺寸小、粒径分布窄、热膨胀 系数小、力学强度较高，并在微观结构中存在少量 的初始微裂纹. 4    总结与展望 纳米技术在镁质耐火材料中的应用，给镁质 耐火材料的制备带来了革命性的变化. 利用纳米 技术在改善低碳镁碳质耐火材料的抗渣性和抗热 震性、镁钙质耐火材料的抗水化性以及镁铝质耐 火材料的烧结性能和力学性能等方面已经取得了 进一步的提高和延伸，使镁质耐火材料的发展进 入了一个新的时期. 但仍处于不完全成熟的阶段， 面临着许多亟需解决的关键问题，这些关键问题 的好坏将直接影响纳米技术在镁质耐火材料中的 发展空间和发展速度，主要表现在以下方面： （1）纳米材料的分散性. 在球磨混料过程中， 当粒子尺寸达到纳米尺度时，纳米颗粒的表面上 正负电荷集聚，且其比表面积和表面能增大而处 于能量不稳定状态，在颗粒间普遍存在的范德华 力和库仑力的共同作用下，纳米粉体颗粒间容易 凝聚并团聚形成二次大颗粒. 如果不加以分散而 直接混料，存在的团聚二次颗粒将导致晶粒异常 长大，造成性能的劣化，同时团聚纳米粉体颗粒间 彼此间形成微孔结构，降低烧结致密度. （2）纳米材料与镁质耐火材料基体的相容性. 制备高性能的镁质耐火材料必须要考虑的关键问 题是纳米材料与镁质耐火材料基体之间的界面相 互作用，即分散相与基体相的相容性，以及热学性 能的匹配. 通过控制两种材料的相容性和热性能 匹配优化镁质耐火材料的结构和功能，以实现一 种性能优异的结构−功能一体化镁质复相耐火材料. （3）纳米材料对镁质耐火材料的经济适用性. 纳米材料制备工艺复杂，且价格比较昂贵，并对纳 米材料制品纯度要求较高，导致镁质耐火材料的 生产成本增加. 对于大规模耐火材料制造商来说， 成本效应也是企业的主要要求之一，纳米技术在 镁质耐火材料中的应用必须事先仔细分析. 总之，随着钢铁、水泥、石油和化工等高温工 业的高速发展，纳米技术在镁质耐火材料中的应 用有巨大的发展空间，市场急切需要更为洁净和 高性能的镁质耐火材料来保障高温行业的发展， 这就要求镁质耐火材料除了高熔点、高密度和低 气孔率外，还需要有良好的抗侵蚀性能、抗热性能 和一定的机械强度，同时要兼顾经济的适用性. 因 · 82 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期

赵嘉亮等：纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展 83 此，纳米技术在镁质耐火材料中的应用是开发结构 3390 功能一体化的长寿命镁质耐火材料的重要途径. [15]Liu Z Y,Yuan L,Yu J K.Improvements in the mechanical properties and oxidation resistance of MgO-C refractories with the 参考文献 addition of nano-Y2O;powder.Ady Appl Ceram,2019,118(5): 249 [1]Norhasri MS M,Hamidah MS,Fadzil A M.Applications of using [16]Ding D H,Lv L H,Xiao G Q,et al.Improved properties of low- nano material in concrete:a review.Constr Build Mater,2017, carbon MgO-C refractories with the addition of multilayer grap- 133:91 hene/MgAl2O composite powders.Int J Appl Ceram Technol, [2]Dai Y J,Li Y W,Xu X F,et al.Fracture behaviour of magnesia 2020.17(2):645 refractory materials in tension with the Brazilian test.Eur Ceram [17]Zhu T B,Li Y W,Sang S B,et al.Improved thermal shock Soc,2019,39(16):5433 resistance of magnesia-graphite refractories by the addition of [3]Wang E H,Chen J H,Hou X M.Design,preparation,and MgO-C pellets.Mater Des,2017,124:16 application of new function refractories.Chin J Eng,2019, [18]Wei G P.Zhu B Q,Li X C,et al.Microstructure and mechanical 41(12):1520 properties of low-carbon Mgo-C refractories bonded by an Fe (王恩会，陈俊红，侯新梅.功能化新型耐火材料的设计、制备及 nanosheet-modified phenol resin.Ceram Int,2015,41(1):1553 应用.工程科学学报，2019,41(12)：1520) [19]Yeprem H A.Effect of iron oxide addition on the hydration [4]Dai Y J,Li Y W.Jin S L,et al.Mechanical and fracture resistance and bulk density of doloma.J Eur Ceram Soc,2007, investigation of magnesia refractories with acoustic emission- 27(2-3):1651 based method.J Eur Ceram Soc,2020,40(1):181 [20]Ghosh A,Tripathi H S.Sintering behaviour and hydration [5]Roy J,Chandra S,Maitra S.Nanotechnology in castable resistance of reactive dolomite.Ceram Int,2012,38(2):1315 refractory.Ceram Int,2019,45(1):19 [21]Lee JK,Choi H S,Lee S J.Effect of Fe2O3 additions on the [6]Yao H B,Yao S Z,Luo C,et al.Current research and developing hydration resistance of CaO.J Ceram Process Res,2012,13(5): trend of MgO-C bricks.ChinJEng,2018,40(3):253 646 (姚华柏，姚苏哲，骆昶，等.镁碳砖的研究现状与发展趋势.工 [22]Shahraki A,Ghasemi-Kahrizsangi S,Nemati A.Performance 程科学学报，2018,40(3)：253) improvement of MgO-CaO refractories by the addition of nano- [7]Bag M,Adak S,Sarkar R.Study on low carbon containing sized AlO:.Mater Chem Phys,2017,198:354 MgO-C refractory:use of nano carbon.Ceram In,2012.38(3): [23]Dehsheish H G,Karamian E,Owsalou R G,et al.Improvement in 2339 performance of MgO-Ca refractory composites by addition of [8]Luz A P,Souza T M,Pagliosa C,et al.In situ hot elastic modulus Iron (IIl)oxide nanoparticles.Ceram Int,2018,44(13):15880 evolution of MgO-C refractories containing Al,Si or Al-Mg anti- [24]Ghasemi-Kahrizsangi S,Sedeh M B.Dehsheikh H G,et al. oxidants.Ceram Int,2016,42(8):9836 Densification and properties of ZrO2 nanoparticles added [9]Xiao J L,Chen J F,Wei Y W,et al.Oxidation behaviors of magnesia-doloma refractories.Ceram Int,2016,42(14):15658 MgO-C refractories with different Si/SiC ratio in the 1100- [25]Ghasemi-Kahrizsangi S,Dehsheikh H G,Karamian E,et al.Effect 1500℃range.Ceram Int,2019,45(17):21099 of MgAl,O nanoparticles addition on the densification and [10]Bag M,Adak S,Sarkar R.Nano carbon containing MgO-C ref- properties of Mgo-Cao refractories.Ceram Int,2017,43(6): ractory:effect of graphite content.CeramIn,012.38(6):4909 5014 [11]Ding D H,Chong X C,Xiao G Q,et al.Combustion synthesis of [26]Mao HH,Selleby M,Sundman B.A re-evaluation of the liquid BC/Al2O,/C composite powders and their effects on properties of phases in the Cao-Al2O:and MgO-Al2O:systems.Calphad, low carbon MgO-C refractories.Ceram /nt,2019,45(13):16433 2004,28(3):307 [12]Zhu T B,Li Y W,Sang S B,et al.Effect of nanocarbon sources on [27]Beketov I V,Medvedev A I,Samatov O M,et al.Synthesis and microstructure and mechanical properties of MgO-C refractories luminescent properties of MgAlO:Eu nanopowders.J Alloys Ceram Int,2014,40(3):4333 Compd,2014,586(Suppl 1):S472 [13]Wang J K.In-situ Catalytic Preparation Mechanism of Car- [28]Yang L,Meng Q,Lu N,et al.Combustion synthesis and spark bon Nanotube/SiC and Their Application in MgO-C Refractory plasma sintering of MgAl,O-graphene composites.Ceram Int, [Dissertation].Wuhan:Wuhan University of Science and 2019,45(6:7635 Technology,2018 [29]Tong S H,Zhao J Z,Zhang Y C,et al.Corrosion mechanism of (王军凯.碳纳米管/碳化硅原位催化制备、机理及其在MgO-C Al-MgO-MgAl2O refractories in RH refining furnace during 耐火材料中的应用学位论文].武汉：武汉科技大学，2018) production of rail steel.Ceram Int,2020.46(8):10089 [14]Rastegar H,Bavand-vandchali M,Nemati A,et al.Phase and [30]Hashimoto S,Honda S,Hiramatsu T,et al.Fabrication of porous microstructural evolution of low carbon MgO-C refractories with spinel (MgAl2O)from porous alumina using a template method. addition of Fe-catalyzed phenolic resin.Ceram Int,2019,45(3): Ceram Int,.2013.39(2):2077

此，纳米技术在镁质耐火材料中的应用是开发结构− 功能一体化的长寿命镁质耐火材料的重要途径. 参    考    文    献 Norhasri M S M, Hamidah M S, Fadzil A M. Applications of using nano  material  in  concrete:  a  review. Constr Build Mater,  2017, 133：91 [1] Dai Y J, Li Y W, Xu X F, et al. Fracture behaviour of magnesia refractory materials in tension with the Brazilian test. J Eur Ceram Soc, 2019, 39（16）: 5433 [2] Wang  E  H,  Chen  J  H,  Hou  X  M.  Design,  preparation,  and application  of  new  function  refractories. Chin J Eng,  2019, 41（12）: 1520 （王恩会, 陈俊红, 侯新梅. 功能化新型耐火材料的设计、制备及 应用. 工程科学学报, 2019, 41（12）：1520） [3] Dai  Y  J,  Li  Y  W,  Jin  S  L,  et  al.  Mechanical  and  fracture investigation  of  magnesia  refractories  with  acoustic  emission￾based method. J Eur Ceram Soc, 2020, 40（1）: 181 [4] Roy  J,  Chandra  S,  Maitra  S.  Nanotechnology  in  castable refractory. Ceram Int, 2019, 45（1）: 19 [5] Yao H B, Yao S Z, Luo C, et al. Current research and developing trend of MgO–C bricks. 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