层状陶瓷及层状耐火材料研究进展

摘要

cqvip:现代工业技术的发展对钢铁强度、韧性、加工性能的要求日趋严格,尤其是作为优良结构材料的钢铁制品正逐步实现功能化;耐火材料是冶金高温工业重要的支撑材料,对优质钢冶炼的效率和质量至关重要,其正逐步向高效化、优质化、功能化、绿色化的方向发展。耐火材料的导热性、抗侵蚀、抗热震、抗冲刷磨损等基本特性相互影响,传统的耐火材料制备工艺无法保证耐火制品的各项性能达到最优。低热导的耐火材料可以防止钢水温度极速下降,缸内热量散失过快,进而降低能耗;但低热导耐火材料高温区与低温区的热应力差异较大,两部分区域之间产生的剪切应力容易导致耐火材料开裂损毁。高热导的耐火材料可以缓解温差应力对耐火制品的破坏,耐火材料热面温度降低还可以形成渣皮附着物,从而保护耐火制品,同时碱金属的化学侵蚀速率将明显降低。尤其是传统的含碳耐火材料,虽然碳组分提高了耐火材料的抗热震性,但在高温冶炼作用下,碳发生氧化使耐火材料中形成多孔结构,降低了材料的强度,导致材料易被熔渣侵蚀和渗透,也影响了钢中碳元素的含量。研究人员主要通过改善耐火材料组分与结构,添加或原位生成陶瓷保护相等方式优化耐火材料的性能,但优化效果仍旧单一,始终达不到结构与功能的良好统一。因此开发抗热震、抗侵蚀、无污染等良好匹配的结构功能一体化新型耐火材料十分必要。层状复合材料作为一种仿生设计,其精细的结构保证了材料优良的综合性能。尽管层状复合材料的制备方法较多,但均不免存在一些技术限制。粉体压层和顺序浇铸技术无法保证界面或界面层的均匀性,层间界面设计受限;离心沉积和电泳沉积技术对原料特性的依赖程度较高,不利于耐火材料结构设计。3D打印虽然获得广泛关注,但对设备尤其是原材料快速成型性要求较高,对陶瓷材料而言有颇多不足。相比之下,流延成型工艺操作灵活、原料适应性强、坯体便于后期加工和处理。因此,层状陶瓷及耐火材料相关研究多以此为基础。本文综述了层状陶瓷复合材料的制备工艺,以及不同制备方式和层状结构对其抗折强度、断裂韧性的影响规律;介绍了层状结构在耐火材料研究中的应用及其对耐火材料抗热震、抗侵蚀性能的影响;提出了层状耐火材料制备过程中的关键问题和今后的发展方向。