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郭 鹏
（莱芜钢铁集团泰东实业有限公司，山东 济南 271104）
摘 要：
纳米技术主要以动态力学、量子力学、计算机技术、微电子技术等先进的现代科学技术为基础，而衍生出来的研究结构尺寸介于1纳米至100纳米范围内的材料性质的一种应用技术，由于利用纳米技术制成的材料具有重量轻、硬度强、耐高温、寿命长等特点，因此被广泛应用于耐火材料当中。本文将着重围绕纳米技术在耐火材料中的作用机理以及实际应用效果予以全面阐述。
关键词：
纳米技术；耐火材料；作用机理；实际应用中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：
11-5004（2021）22-0231-2收稿日期：
2021-11作者简介：
郭鹏，男，生于1981年，汉族，陕西咸阳人，本科，中级工程师，从事耐火材料技术和管理工作。
耐火材料在社会各个领域得到普遍应用，这其中包括黏土砖、高铝砖等硅酸铝材料；硅砖、熔融石英等硅质材料；镁砖、镁铝砖等镁质材料；炭砖、石墨砖等炭质材料等多个种类。为了有效改善这些传统耐火材料的耐火性能与抗高温性能，进而为工业生产以及人们的日常生活提供更加优质、更高性价比的耐火材料，近年来，技术人员逐步将纳米技术与耐火材料的加工生产技术融合到一起，并收到了较为理想的应用效果。
1 纳米技术在耐火材料中的作用机理
在耐火材料当中，纳米技术的应用形式主要表现为纳米粉与耐火材料的融合，纳米粉属于一种超细粒子，其表面尺寸介于1~100纳米之间，目前，制备纳米粉最为常用的方法是气相法、液相法与固相法，如图1
所示。
图1 纳米粉合成制备法
由于纳米粉表面活性高，较其他粉体相比，熔点与烧结温度偏低，因此，这种材料常常被应用于特种耐火材料或者不定型的耐火材料当中，在这些材料中，纳米粉主要扮演结合剂与添加剂的角。一方面，纳米粉能够大幅降低耐火材料的掺水量，减少材料当中的有害成分。另一方面，能够有效改善耐火材料的力学性能。此外，纳米粉在提高耐火材料强度、韧性、抗热震性以及抗高温蠕变性等方面也发挥了至关重要的作用，主要作用机理表现为以下两个方面：
1.1 改善耐火材料的力学性能
耐火材料的力学性能指标涵盖抗压强度、抗折强度、抗剪强度以及高温蠕变性等，当纳米粉与耐火材料结合以后，受到高活性粉体的影响，使得耐火材料的内部结构慢慢变得致密而均匀，这就使耐火材料的结构稳定性得到提升。与此同时，在耐火材料当中添加适量的纳米粉末，使耐火材料晶粒的均匀性与稳定性得以增强，在这种情况下，耐火材料的颗粒分布越均匀，材料质量缺陷的产生概率也就越小，进而对提高耐火材料的强度与韧性将起到积极的促进作用[1]。
1.2 在高温烧结过程中对固相反应的影响
耐火材料的生产工艺流程可以简单概括为固相反应与烧结过程，而纳米技术在耐火材料生产过程中的运用，对固相反应与耐火材料的烧结性能都会产生一定的影响。首先，当耐火材料发生固相反应时，可以根据动力学方程可以求出反应速率，并从方程当中可以看出，纳米颗粒的粒径越大，发生化学反应的界面与扩散截面就会相应减小，这时，反应速率常数K 也将减小，如果粒径越小，反应速率常数K 值也就越大，这就说明纳米颗粒尺寸的大小决定着键强分布曲线的趋势，一旦弱键数量增多，固相反应的速率也会大幅增加。另外，在耐火材料烧结工序当中，材料的液相形态持续的时间较短，大多数烧结时间都在进行着固相反应，比如在泰曼温度的附近区域，常常表现为固相烧结状态，
如果向耐火材料当中添加纳米粉，烧结温度无需达到泰曼温度，耐火材料便可以完成固相烧结流程。
因此，纳米技术在耐火材料中的应用能够大幅提升加工与生产效率。
2 纳米技术在耐火材料中的具体应用
2.1 在刚玉质与镁铬质耐火材料中的应用效果
刚玉质耐火材料具有强度高、耐磨性好、耐酸性强等特点，其原料以铝矾土为主，纯度较高的称之为白刚玉，纯度较低的称之为棕刚玉。如果在刚玉质耐火材料当中添加三氧化二铝和二
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氧化硅纳米粉，并分别对烧结温度为1450℃、1550℃、1650℃以及1750℃的刚玉砖性能进行观察发现，在添加纳米粉之后，刚玉砖的烧成温度降幅在100℃~200℃之间，而在温度降低情况下烧成的刚玉砖，其抗折强度与耐压强度提高了近2倍。此外，对于镁铬质耐火材料来说，是以镁砂和铬铁矿为主要烧结原料，其中，镁砂当中的主要矿物质是氧化镁，在与水泥熟料混合以后，可以和熟料当中C3S、C2S、CA、CAF等矿物质并存，因此，镁铬质耐火材料具有良好的抗侵蚀性。如果在镁铬质耐火材料当中添加一定量的三氧化二铁纳米粉，那么在烧结温度相同、时间相同、生产工艺流程相同的条件下，纳米粉的添量每增加1%，镁铬质耐火材料的烧成温度将降低150℃以上，而且现场实验数据
表明，在这种情况之下，镁铬质耐火材料的耐压强度以及抗折强度均有所提升。以烧结温度1700℃，保温时间为3小时的烧成镁铬耐火材料为例，如果添加三氧化二铝纳米粉，镁铬耐火材料的显微结构将发生明显变化，这就表明，此时烧成的镁铬耐火材料的力学性能也发生了改变，如图2（a）（b）
所示。
（a）未添加Fe
2O 3
纳米粉的显微结构
（b）添加Fe
2O
3
纳米粉的显微结构
图2
2.2 在二氧化锆与三氧化二铬耐火材料中的应用效果
二氧化锆（ZrO2）是制备耐火砖、坩埚、陶瓷等耐火材料的重要成分，但是，在应用纳米技术之前，二氧化锆耐火材料不仅强度低、韧性差，而且材料孔隙大，这一质量缺陷严重影响了耐火材料耐火性能的正常发挥。而应用纳米技术以后，能够有效减少二氧化锆质定径水口的气孔，进而能够改善耐火材料的力学性能。如果应用纳米复合技术，在烧结温度为1500℃，保温时间为6小时的情况下，烧成的二氧化铬耐火材料坯体，与烧结温度在1800℃，保温时间依然为6小时情况下烧成坯体的体积、密度均相同，而且显气孔率的降幅达到8%以上，这就说明，在应用纳米复合技术以后，耐火材料的孔径
与孔容均变小，孔径也保持在10纳米以下，由此可以看出，纳米粉在二氧化锆耐火材料烧结过程中起到了充填孔径的作用，进而使耐火材料的韧性与强度得到大幅提升[2]。
对于三氧化二铬（Cr2O3）来说，是冶金行业一种常见的制备耐火材料的原料，在烧结过程中，受到高温的影响，这种材料极易蒸发，因此，类似于二氧化锆耐火材料的特性，其显气孔率较高、孔径较大、自身体积与密度偏低，这就使得烧结过程中产生的炉渣极易进入孔洞当中，而影响耐火材料的力学性能。当采用纳米技术以后，三氧化二铬耐火材料的孔容与显气孔率明显下降，体积密度随之增大，这就说明耐火材料的抗渣性能得到明显改善。生活中最常见纳米技术
2.3 在石墨耐火材料中的应用效果
石墨是制备坩埚、水口砖、高压釜内衬等耐火材料的重要原料，与其他原料相比，其烧结温度达到2500℃以上。但是在石墨烧结过程中，由于水与石墨极难发生化学反应，因此，石墨表面往往表现出不湿润的特性，这就使得浇注料的流动性受到严重影响。为了解决这一难题，近年来，技术人员通过对石墨表面的改性处理，利用纳米技术，在石墨表面包裹一层纳米氧化物薄膜，这一薄膜能够加快各类无机盐的水解速度，进而使石墨表面的湿润性得以增强，在这种情况之下，浇注料的流动速度也随之加快。比如以三氧化二铝这种氧化物薄膜为例，当这一薄膜附着在石墨表面以后，这种纳米氧化物表现出了良好的亲水性，这时，石墨表面的悬浮液黏度大大降低，分散稳定性也有所提升。另外，在
石墨表面包裹三氧化二铝纳米薄膜，耐火材料的抗氧化性得到切实改善，良好的物理力学性能也表现的尤为明显[3]。2.4 在不定型耐火材料中的应用效果
所谓不定型耐火材料主要是由合理级配的粒状和粉状料以及结合剂共同组成，在不经过烧成与成型过程而直接使用的耐火材料，从外观形态看，一般呈现出浆状、泥膏状或者松散状，较为常见的不定型耐火材料包括各种型号的水泥、水玻璃、硫酸盐等无机盐类，以及焦油、沥青、酚醛树脂等有机物。由于不定型耐火材料在制备过程中，往往需要消耗大量的原材料，比如水泥或者其他结合剂，这就给生产企业增加了经济负担，同时，也能够减少对自然生态环境造成的污染。因此，为了改善不定型耐火材料的力学性能，减少原材料的使用量，技术人员利用硅铝凝胶纳米粉替代了纯铝酸钙水泥中Al2O3-SiC-C这一浇注料的性能，通过现场实验数据表明，将硅铝凝胶纳米粉作为结合剂，来制备耐火材料，不仅大幅度降低优质材料的生成反应温度，而且也能够减少原材料的使用量，并且通过对耐火材料试样抗折与耐压强度的检测发现，与未添加硅铝凝胶纳米粉相比均有所提升。
3 结语
随着我国国民经济的持续稳步发展，社会各领域对耐火材料的力学性能要求越来越高，在这一背景之下，业内专业人士与技术人员应当始终秉持“与时俱进”的态度，将纳米技术与耐火材料的生成与烧结流程有机融合到一起，在发挥纳米材料技术优势的同时，使耐火材料的整体质量得到提升，进而为社会各行业以及人们的日常生活提供更多的高质量耐火材料。
参考文献
[1] 潘永忠.纳米技术在耐火材料中的应用探究[J].中华建设,2020(33):196-197.
[2] 赵嘉亮，罗旭东，陈俊红，等.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.
[3] 孟庆新.利用纳米技术制取的水润性石墨及其在耐火材料中的应用[J].耐火与
石灰,2018,43(5):58-62.
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