纳米技术在镁碳耐火材料中的应用前景
发布日期： 2019-08-16 11:13:04 阅读量（366） 作者：刘梓明在低碳耐火材料中引入纳米物相时提高其高温强度、抗热震性和抗侵蚀性。这是因为纳米物相可改善镁碳材料的显微结构，使材料结构致密化、微细化，起到提高物理强度的作用。同时，纳米相弥散在材料中有助于缓解热应力，使裂纹偏转或裂纹被钉扎，从而耗散大量的能量，充分提高材料的韧性。纳米粒子包裹石墨可提高含碳材料的抗氧化性，以及防止钢渣的侵蚀和渗透等总之，将纳米技术应用到镁碳耐火材料中，可为开发高性能、低碳化镁碳耐火材料提供新方法。
但纳米技术在镁碳耐火材料中的应用研究尚处起步阶段，仍有很多工程问题需要解决，其中最显著的就是纳米材料的团聚问题。纳米材料，包括纳米颗粒、纳米纤维及纳米管等，由于其臣大的比表面积和表面能的存在，以及由于其纳米颗粒间的范徳华力大于其自身重量的原因，导致其在实际工程中往往存在团聚现象。团聚后的颗粒尺寸将不再在纳米范围内，从而失去纳米材料的小尺寸效应带来的活性。此外，团聚现象使纳米材料在镁碳材料中分布均匀变得十分困难，极易由于团聚而在材料局部富集，这不仅不能改善镁碳材料的耐火性能，反而还会降低其理化性能。
因此，发展纳米材料在镁碳耐火材料中的均匀分散技术至关重要。这可采用超声分散、纳米表面化学修饰等方法。例如，我们可以采用超声分散来改善纳米炭黑在镁碳材料中分布的均匀性。在超声波的剧烈震荡下，处在液态环境下的纳米碳会有微泡形成和破裂的交互过程，伴随着这一交互过程，耐火材料中将激起由于能量瞬间释放时产生的高强振动波。这些短暂的高能微环境，将在材料中产生局部高温、高压或强冲击波和微射流等效应，能很好地地弱化纳米粒子间的范德华力，从而有效地制止纳米粒子间的团聚现象。但这些分散技术目前还停留在实验室阶段，将它们应用在工业化大规模生产中还需要解决好设备及工艺参数等诸多实际问题，包括对超声功率和超声时间等重要工艺参数的反复摸索。因为纳米相在耐火材料中的超声分散时间并非越长越好，而是存在一个最佳的值。当超声时间超过某一临界值时，超声激励时产生的局部高温增加，使体系温度升高，热能和机械能都不断增加，反而会使得纳米颗粒碰撞的几率增加，导致其进一步团聚。
此外，纳米技术在实际工程应用中另一关键问题工艺成本较高。众所周知，由于纳米纤维等纳米材料制备工艺复杂，设备要求高，导致其价格昂贵。这就使得采用纳米技术来改善镁碳材料性能时，性能改善与成本降低间存在一定的矛盾。例如，将纳米粉引入到氧化物制品中以降低其烧结温度，但降低烧结温度所节省的成本往往还不能抵消由于引入纳米材料后原料成本的上升。那么，最终使用纳米相复合后的耐火材料由于其经济效益的降低往往会阻碍它们在实际工程领域中的应用。这就需要我们深入探讨在耐火材料中引入纳米材料和微米材料的性价比问题。如果引入纳米尺度的原料与微米尺度的原料对耐火材料性能改善的差异性较小，而且，引入微米尺度的原料同样能达到耐火工程的要求，则引入纳米技术并不具有实用的性价比。
因此，在纳米原材料的选用上，除了要考虑其对耐火材料性能和显微结构的提升，对其工程性价比也要进行优化。实际使用中，后者往往还是决定耐火材料是否能在工程应用中推广的关键因素。目前，在纳米技术领域中，将纳米原材料以溶胶、凝胶的形式引入比直接引入其相应的固态纳米颗粒往往更利于其在耐火材料中的分散，并且溶胶、凝胶的价格相对低廉，对于提高耐火材料的理化性能及其服役寿命具有更现实的意义。此外，采用纳米前驱体技术，并使其在加热过程中产生原位分解形成纳米结构，也能在耐火材料中产生极佳的分散效果。而且，这种原位分解产生的纳米结构可与耐火材料基体进一步化学反应形成新的纳米物相，从而还能进一步优化材料的显微结构和理化性能。这种纳米前驱体技术不仅价格低廉，关键是它能使纳米原料分散性得到极大改善，充分发挥纳米材料的小尺寸效应和化学活性。因此可以预计，在未来的耐火材料工业中采用化学凝胶或纳米前驱体技术将展现出美好前景。
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