轻骨质耐火材料的原理、制造与应用（Ⅱ）

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此外，已有铝酸钙和尖晶石的轻质多孔聚集体出现。

与普通致密耐火材料相比，用这种轻质骨料制造的轻质耐火材料表现出较低的堆积密度和导热性。然而，关键的挑战是材料的抗渣侵蚀性和机械性能。

为了获得具有保证抗炉渣腐蚀和应力破坏的轻质耐火材料，研究人员已经进行了多次尝试来制造具有高比例闭孔和小孔径的轻质骨料。

超塑性发泡法是一种解决方法，可以制造具有高体积分数细闭孔的陶瓷。此外，通过添加纳米添加剂也可获得轻质微孔氧化铝、铝土矿和氧化镁材料。

在这些材料中，闭合孔的比例约占总孔的40-70%。由于孔径减小，与致密材料相比，制造的轻质材料可以显示出更好的抗渣腐蚀性。

二、轻骨料及其五种制造工艺

由于大部分轻质耐火材料都是通过用轻骨料代替致密骨料来生产的。因此，轻质耐火材料的性能取决于轻质骨料的结构和性能。

通常，制造轻骨料的工艺路线适用于多孔陶瓷的加工。但是，对于轻骨料的制备，应考虑大规模工业生产的成本和操作便利性。

目前尚未采用复杂、精细且昂贵的方法，如溶胶-凝胶法、凝胶浇注、冷冻干燥和使用复制模板，来制造轻质骨料。此外，虽然孔隙的连接结构被设定为多孔陶瓷的目标，但在轻骨料的制造过程中需要高闭合孔隙率比例。基于上述考虑，下文将介绍制造轻骨料的五种工艺。

部分烧结

部分烧结是制造轻骨料较常用的方法。

如图3所示，该方法的主要原理是通过添加某些添加剂来稳定起始粉末颗粒之间的空隙。添加剂可以是比起始材料尺寸更小、表面活性更高的颗粒，或者在热处理过程中可以形成液相的烧结助剂。使用添加剂，起始粉末颗粒被缩颈，因此，空隙保留在材料中。

在局部烧结技术中，应准确控制添加剂的添加。如果添加剂添加量少，则很难稳定多孔结构;然而，由于其高表面活性和形成液相的趋势，添加过量的添加剂可能导致轻骨料的烧结致密化。

此外，晶粒粗化(奥斯特瓦尔德熟化过程)可能发生在液相烧结过程中。随着液相的形成，较小的晶粒可能会部分溶解到液相中并在较大的晶粒上沉淀，从而导致晶粒变粗。

局部烧结的优点是可以提升材料的密度和强度，同时还可以改善材料的耐磨性和耐腐蚀性。缺点是可能会导致材料的变形和裂纹，影响材料的性能和寿命。此外，局部烧结还需要耗费大量的能源和时间，增加了制造成本。

原位分解

原位分解技术涉及使用可分解的无机物，如氢氧化物、碳酸盐和氢硅酸盐作为原料。

这些材料在热处理过程中的分解导致颗粒的体积收缩，从而形成空隙。

此外，分解时产生的产物是具有高表面活性的细颗粒。

由于分解产物具有良好的烧结性，孔隙率结构稳定。因此，这样生产的轻骨料的孔隙率形态和性能受原材料的类型、添加量和粒度以及形成和烧结过程的技术参数的影响。

研究学者们使用三种不同的含镁矿物(碱式碳酸镁，水滑石和菱镁矿)作为原料制造多孔氧化铝尖晶石材料。

与其他两种原料相比，菱镁矿中较高的杂质含量促进了热处理过程中液相的形成。

这导致颗粒之间的粘合程度更高，从而提升机械强度并减小孔径。这种效果在菱镁矿中尤为明显，菱镁矿含有较高含量的二氧化硅和氧化铝杂质。

液相和新相的量是影响制备的轻骨料孔形貌和性能的两个关键因素。

一方面，随着液相生成量的增加，烧结过程会得到促进，从而减小孔径和孔隙率。另一方面，在新阶段的形成过程中会产生体积扩张。

当形成少量新相时，这种体积膨胀可能会填充空隙，从而减小孔径和孔隙率。然而，过量的新相会阻碍烧结致密化，导致孔径和孔隙率增加。

液相和新相的量在很大程度上取决于可分解原料的含量，因此，应严格控制所用原料的成分。采用原位分解法制备的轻骨料较重要的限制是高开孔率，导致材料的抗渣性和力学性能不理想。

当将成孔剂添加到起始粉末中时，它们在热处理过程中燃烧，在陶瓷材料中留下空隙。与其他技术相比，使用造孔剂可以轻松控制制造材料的孔隙率水平。

在这种情况下，可以在陶瓷坯体上施加更高的烧结温度，从而提升所制备的轻质材料的机械强度。

目前使用的成孔剂可分为两类：有机材料和无机材料。

常用的有机造孔剂包括淀粉、稻壳、塞拉戈、PMMA微球和核桃壳，而常用的无机材料包括煤灰和碳。

关键词：

轻骨质耐火材料的原理、制造与应用