輕骨質耐火材料的原理、制造與應用（Ⅱ）

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此外，已有鋁酸鈣和尖晶石的輕質多孔聚集體出現。

與普通致密耐火材料相比，用這種輕質骨料制造的輕質耐火材料表現出較低的堆積密度和導熱性。然而，關鍵的挑戰(zhàn)是材料的抗渣侵蝕性和機械性能。

為了獲得具有保證抗爐渣腐蝕和應力破壞的輕質耐火材料，研究人員已經進行了多次嘗試來制造具有高比例閉孔和小孔徑的輕質骨料。

超塑性發(fā)泡法是一種解決方法，可以制造具有高體積分數細閉孔的陶瓷。此外，通過添加納米添加劑也可獲得輕質微孔氧化鋁、鋁土礦和氧化鎂材料。

在這些材料中，閉合孔的比例約占總孔的40-70%。由于孔徑減小，與致密材料相比，制造的輕質材料可以顯示出更好的抗渣腐蝕性。

二、輕骨料及其五種制造工藝

由于大部分輕質耐火材料都是通過用輕骨料代替致密骨料來生產的。因此，輕質耐火材料的性能取決于輕質骨料的結構和性能。

通常，制造輕骨料的工藝路線適用于多孔陶瓷的加工。但是，對于輕骨料的制備，應考慮大規(guī)模工業(yè)生產的成本和操作便利性。

目前尚未采用復雜、精細且昂貴的方法，如溶膠-凝膠法、凝膠澆注、冷凍干燥和使用復制模板，來制造輕質骨料。此外，雖然孔隙的連接結構被設定為多孔陶瓷的目標，但在輕骨料的制造過程中需要高閉合孔隙率比例。基于上述考慮，下文將介紹制造輕骨料的五種工藝。

部分燒結

部分燒結是制造輕骨料較常用的方法。

如圖3所示，該方法的主要原理是通過添加某些添加劑來穩(wěn)定起始粉末顆粒之間的空隙。添加劑可以是比起始材料尺寸更小、表面活性更高的顆粒，或者在熱處理過程中可以形成液相的燒結助劑。使用添加劑，起始粉末顆粒被縮頸，因此，空隙保留在材料中。

在局部燒結技術中，應準確控制添加劑的添加。如果添加劑添加量少，則很難穩(wěn)定多孔結構;然而，由于其高表面活性和形成液相的趨勢，添加過量的添加劑可能導致輕骨料的燒結致密化。

此外，晶粒粗化(奧斯特瓦爾德熟化過程)可能發(fā)生在液相燒結過程中。隨著液相的形成，較小的晶?？赡軙糠秩芙獾揭合嘀胁⒃谳^大的晶粒上沉淀，從而導致晶粒變粗。

局部燒結的優(yōu)點是可以提升材料的密度和強度，同時還可以改善材料的耐磨性和耐腐蝕性。缺點是可能會導致材料的變形和裂紋，影響材料的性能和壽命。此外，局部燒結還需要耗費大量的能源和時間，增加了制造成本。

原位分解

原位分解技術涉及使用可分解的無機物，如氫氧化物、碳酸鹽和氫硅酸鹽作為原料。

這些材料在熱處理過程中的分解導致顆粒的體積收縮，從而形成空隙。

此外，分解時產生的產物是具有高表面活性的細顆粒。

由于分解產物具有良好的燒結性，孔隙率結構穩(wěn)定。因此，這樣生產的輕骨料的孔隙率形態(tài)和性能受原材料的類型、添加量和粒度以及形成和燒結過程的技術參數的影響。

研究學者們使用三種不同的含鎂礦物(堿式碳酸鎂，水滑石和菱鎂礦)作為原料制造多孔氧化鋁尖晶石材料。

與其他兩種原料相比，菱鎂礦中較高的雜質含量促進了熱處理過程中液相的形成。

這導致顆粒之間的粘合程度更高，從而提升機械強度并減小孔徑。這種效果在菱鎂礦中尤為明顯，菱鎂礦含有較高含量的二氧化硅和氧化鋁雜質。

液相和新相的量是影響制備的輕骨料孔形貌和性能的兩個關鍵因素。

一方面，隨著液相生成量的增加，燒結過程會得到促進，從而減小孔徑和孔隙率。另一方面，在新階段的形成過程中會產生體積擴張。

當形成少量新相時，這種體積膨脹可能會填充空隙，從而減小孔徑和孔隙率。然而，過量的新相會阻礙燒結致密化，導致孔徑和孔隙率增加。

液相和新相的量在很大程度上取決于可分解原料的含量，因此，應嚴格控制所用原料的成分。采用原位分解法制備的輕骨料較重要的限制是高開孔率，導致材料的抗渣性和力學性能不理想。

當將成孔劑添加到起始粉末中時，它們在熱處理過程中燃燒，在陶瓷材料中留下空隙。與其他技術相比，使用造孔劑可以輕松控制制造材料的孔隙率水平。

在這種情況下，可以在陶瓷坯體上施加更高的燒結溫度，從而提升所制備的輕質材料的機械強度。

目前使用的成孔劑可分為兩類：有機材料和無機材料。

常用的有機造孔劑包括淀粉、稻殼、塞拉戈、PMMA微球和核桃殼，而常用的無機材料包括煤灰和碳。

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輕骨質耐火材料的原理、制造與應用