特種耐火材料概述

時間：2020-01-05作者：平頂山市信瑞達石墨制造有限公司瀏覽：1430

 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在廣泛的材料領(lǐng)域中出現(xiàn)了很多新材料。特種耐火材料就是在傳統(tǒng)陶瓷和耐火材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一組新型無機材料，也稱做高溫陶瓷材料。 
 
傳統(tǒng)陶瓷的生產(chǎn)工藝是將原料制成細粉再成型。用陶瓷的方法制造耐火材料也算是特殊工藝方法，應(yīng)該在*五章敘述，但由于特種耐火材料化學(xué)成分的高純度，**級的耐火性能，各種特殊性能，復(fù)雜的制品外形，特別的使用條件等，可以成為一個單獨體系，作為一章在此作系統(tǒng)敘述。

特種耐火材料的發(fā)展與高溫技術(shù)，特別是現(xiàn)代**的發(fā)展密切相關(guān)。近代空間技術(shù)，高速*行器（人造地球衛(wèi)星）的噴射推進裝備發(fā)展，尤其噴射發(fā)動機的燃氣渦輪旋轉(zhuǎn)葉片、噴嘴、前錐體（雷達天線罩）、尾錐整流子等受到高溫、高速氣流的直接作用，難熔金屬和耐熱合金在高溫下的斷裂強度、蠕變、抗氧化性等性能達到了使用極限，必須尋找較好的特種耐火材料。**的冶金技術(shù)，需要較耐高溫，抗腐蝕，抗熱震的功能材料。冶煉各種新金屬、特殊合金和半導(dǎo)體材料的純度要求很高，可是在熔化溫度下輕易與普通耐火材料起反應(yīng)而使一般耐火材料受腐蝕。金屬質(zhì)的容器較不適合作為這些材料的熔化、蒸餾、澆濤、合金化過程的盛器或單晶生長用盛器，由于會污染冶煉的材料。還有火箭、導(dǎo)彈、電子等現(xiàn)代技術(shù)都要求高性能的耐火材料。這些特種耐火材料與傳統(tǒng)的耐火材料相比具有以下特點：

（1）大多數(shù)特種耐火材料的材質(zhì)已經(jīng)**出了硅酸鹽范圍，而且品位高、純度高，熔點都在2000℃以上（個別的為1728℃）； 
（2）成型工藝不局限半干成型，除了大量應(yīng)用注漿法和可塑法成型外，還采用等靜壓、氣相沉積、熱壓、電熔等，而且大多數(shù)采用微米（μm）級的細粉料； 
（3）制品燒成溫度很高（1600～2000℃，甚至較高），并在各種燒成氣氛或真空中燒成； 
（4）它不僅制成磚，棒，罐等厚實制品，還制成管、板、片、坩堝等薄型制品，中空的球狀制品，高度分散的散狀材料，還可制成透明或半透明制品，柔軟如絲的纖維，各種寶石般的單晶以及硬度僅次于金剛石的超硬材料； 
（5）它除了具有耐火性能外，有的還具有較好的電、熱、機械、化學(xué)等性能，因此它除了用于高溫產(chǎn)業(yè)，還廣泛用于其他部分。幾乎遍布國民經(jīng)濟各部分；

一、特種耐火材料分類

特種耐火材料概括為五方面的內(nèi)容

（1）高熔點氧化物； 
（2）難熔化合物； 
（3）金屬陶瓷； 
（4）高溫?zé)o機涂層； 
（5）纖維及其增強材料；

盡管單一材料具有自己的優(yōu)點，可是也有不可克服的缺點和弱點。例如，金屬材料具有良好的延展性、機械強度和沖擊韌性，但這種材料的強度在高溫時急劇下降，并較輕易氧化；**材料的性能千變?nèi)f化，但它易老化，強度低，不耐高溫；無機非金屬固然高溫性能好，但致命的弱點是脆性大，經(jīng)不起沖擊。所以就把幾種材料用一定的方式復(fù)合在一起，讓各種材料的性能取長補短，而組成一種具有綜合性能的新材料。特種耐火材料的重點內(nèi)容之一就是高溫復(fù)合材料。它包括金屬陶瓷，高溫?zé)o機涂層，纖維增強材料等。
 
金屬陶瓷既有一定的像金屬一樣的韌性，能經(jīng)受陶瓷所不能經(jīng)受的熱沖擊及機械沖擊，又有像陶瓷那樣的高溫機械強度，能承受金屬所不能經(jīng)受的高溫，因此既改善了陶瓷的脆性，又改善了金屬的耐高溫性，具有金屬與陶瓷兩者的綜合性能。

高溫?zé)o機涂層是一種加涂在金屬或其他結(jié)構(gòu)底材表面上的無機保護層或表面膜的總稱。它起著改變底材外表面的化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)，從而賦予新的或改善底材性能的作用。如在金屬材料表面加涂一層耐高溫涂層，對金屬底材起隔熱作用，使金屬的使用溫度相對進步；還有地耐熱合金或石墨等材料加涂一層抗氧化，耐化學(xué)腐蝕涂層。近年來，出現(xiàn)了高溫電盡緣、高溫耐磨、耐腐蝕、示溫、溫控、潤滑、防粒子輻射、光譜選擇吸收或**、紅外輻射等各種作用的涂層。

用纖維（晶須）與金屬，塑料或陶瓷復(fù)合，可以制造出耐高溫、高強度、抗疲憊等各式各樣性能優(yōu)良的增強復(fù)合材料。
 
二、特種耐火材料的性能

各種不同的特種耐火材料，固然化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)不同，其性能也存在一定的差異，但從特種耐火材料總體來說比普通耐火材料具有很多優(yōu)良的性能。

（一）熱學(xué)性質(zhì)

（1）熱膨脹性：熱膨脹性指材料的線度和體積溫度升降發(fā)生可逆性增減的性能。常以線膨脹數(shù)或體積膨脹系數(shù)表示。大多數(shù)特種耐火材料的線膨脹系數(shù)都比較大，僅有熔融石英，氧化硼，氧化硅的線膨脹系數(shù)比較小。

（二）力學(xué)性質(zhì)

特種耐火材料的彈性模量都大。大多數(shù)具有較高的機械強度，但與金屬材料相比，由于脆性，抗沖擊強度甚低。盡大多數(shù)的特種耐火材料具有較高的硬度，因此耐磨，耐氣流或塵粒沖洗性比較好。大多數(shù)特種耐火材料的高溫蠕變都比較小，較大的是二硅化鉬。蠕變值的大小與結(jié)晶尺寸，晶界物質(zhì)，氣孔率等有關(guān)系。
 
（三）電學(xué)性質(zhì)

大多數(shù)高熔點氧化物屬盡緣體，其中氧化釷（ThO2）和穩(wěn)定氧化鋯（ZrO2）等在高溫時具有導(dǎo)電性，見表3；碳化物、硼化物的電阻都很??；有些氮化物是電的良導(dǎo)體，而有些則是典型的盡緣體。例如TiN具有金屬的電導(dǎo)率（ρ為30×10-6Ω·㎝），BN則為盡緣體（ρ為1018Ω·㎝）。所有的硅化物都是電的良導(dǎo)體。

（四）使用性質(zhì)

（1）耐火性：特種耐火材料的熔點幾乎都在2000℃以上，較高的碳化鉿（HfC）和碳化鉭（TaC）為3887℃和3877℃。耐火度也很高，在氧化氣氛中，氧化物的使用溫度甚至接近熔點。氮化物，硼化物，碳化物在中性或還原性氣氛中比氧化物有較高的使用溫度，例如TaC在N2氣氛中可使用到3000℃，BN在Ar氣氛中可使用到2800℃。耐高溫性能依次為：碳化物＞硼化物＞氮化物＞氧化物。而它們的高溫抗氧化性為：氧化物＞硼化物＞氮化物＞碳化物。

（2）抗熱震性：在特種耐火材料中，由于氧化鈹?shù)臒釋?dǎo)率低，大多數(shù)硼化物的熱導(dǎo)率也不高，熔融石英的線膨脹系數(shù)特別小，所以抗熱震性很好。某些纖維制品及纖維增強復(fù)合制品有較高的氣孔率及抗張強度，這些材料的抗熱震性比較好。碳化硅，氮化硅，氮化硼，二硅化鉬等也有較好的抗熱震性。

三、特種耐火材料的組織結(jié)構(gòu)

特種耐火材料是一種多晶體材料。盡大多數(shù)特種耐火材料的微觀組織結(jié)構(gòu)為晶相組成，而不含玻璃相，個別特種耐火混進微量雜質(zhì)，在一定溫度下形成共熔液相。晶粒與晶粒相遇的地方就形成晶粒的邊界，簡稱晶界，對于由小晶粒組成的多晶體來說，晶界的體積幾乎占到一半以上，對晶體的性質(zhì)有明顯的影響。當(dāng)晶粒細小時，材料具有較高的機械強度，而粗晶輕易造成裂紋和缺陷，使材料的機械強度下降。特種耐火材料的結(jié)構(gòu)，亦含有一定量的氣孔，對材料性能也有影響。所以一般要求特種耐火材料的組織結(jié)構(gòu)均勻，玻璃相少，晶粒細小而均勻為好。
 
四、特種耐火材料的用途

（1）特種耐火材料作為高溫工程的結(jié)構(gòu)材料和功能材料得到廣泛的應(yīng)用。

（2）在冶金產(chǎn)業(yè)中，廣泛用于耐高溫、抗氧化、還原或化學(xué)腐蝕的部件；熔煉稀有金屬、貴金屬、難熔金屬、****屬、特殊合金的坩堝、船皿等容器；水平連鑄分離環(huán)、熔融金屬的過濾裝置和輸送管道等。 
（3）在航天和飛行技術(shù)中，用于火箭導(dǎo)彈的頭部保護罩、燃燒室內(nèi)襯、尾噴管襯套、噴氣式飛機的渦輪葉片、排氣管、機身、機翼的結(jié)構(gòu)部件等。 
（4）在電子產(chǎn)業(yè)中，用做熔制高純半導(dǎo)體材料和單晶材料的容器，半導(dǎo)體固體擴散源；電子儀器設(shè)備中的各種耐高溫盡緣散熱部件；集成電路的基板，蒸發(fā)涂膜用的導(dǎo)電船皿等。 
（5）高溫產(chǎn)業(yè)中，用做特種電爐的高溫發(fā)熱元件、爐管、爐膛結(jié)構(gòu)材料和保溫隔熱材料，各種測溫?zé)犭娕嫉膬?nèi)外保護套管等。 
（6）在機械及*產(chǎn)業(yè)中，用做磨料、磨具、切削刀具；裝甲防護板等。 
（7）在化工和輕工部分，用做潛水泵和化工泵機械密封環(huán)；玻璃拉絲坩堝，流料槽及玻璃池窯磚等。 
（8）在醫(yī)學(xué)及農(nóng)業(yè)部分，用做人造關(guān)節(jié)、人造牙齒，并利用它的生物相容性等特殊性能。

五、特種耐火材料展看

從材料的微觀結(jié)構(gòu)來看，將利用結(jié)構(gòu)的不均勻性，如微裂紋，微缺陷，晶界和界面性質(zhì)，獲得某種特殊性能。透光性陶瓷與今后的光通訊發(fā)展有很大關(guān)系。陶瓷固體電解質(zhì)（βAl2O3、ZrO2等）的利用將進一步擴大，從能源、環(huán)境、公害方面考慮，將很有前途。超硬材料，如人造金剛石和立方氮化硼將進進產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)階段。用特種耐火材料取代金屬，如Si3N4和Al-Si-N-O取代金屬制造軸承和渦輪葉片，會有很大發(fā)展。高效復(fù)合材料，很有前途，也會得到很大發(fā)展。


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