MgO-C耐火材料碳源的选择与设计
发布日期： 2020-04-01 14:49:15 阅读量（472） 作者：刘梓明MgO-C耐火材料的碳源可以分为无定型炭以及石墨碳。其中，无定型炭来源于结合剂酚醛树脂或焦油沥青的炭化产物，因此也称为结合炭。加入配料中的原料如鳞片石墨，膨胀石墨以及土状石墨等大多为石墨碳，炭黑由于其非晶的特性属于无定型炭。各种炭素原料都有各自的物理特性，在选择时需分析不同炭素对于MgO-C耐火材料的影响规律。对于传统MgO-C耐火材料，碳含量大致在10~20wt%左右。而低碳MgO-C耐火材料的总碳含量一般≤8wt%。通过对于炭素原料的选择与设计能够提升低碳MgO-C耐火材料的性能。
1、石墨
石墨主要分为两类：天然石墨和人造石墨。
目前，含碳耐火材料制备所用炭素原料以天然石墨为主，而用途最为广泛的是鳞片石墨。鳞片石墨具有卓越的热学和力学性能，能在MgO-C耐火材料的基质中形成连续的碳网络，来缓解温度急剧变化所带来的热应力。石墨的纯度，粒度，挥发分等性能直接影响了MgO-C耐火材料的性能及使用寿命。石墨的纯度越高，其灰分和挥发分的含量就越低，加入MgO-C耐火材料中能够形成致密结构组织，有效地抵抗熔渣的侵蚀，显著提高材料的使用寿命。石墨的纯度对于MgO-C耐火材料的高温力学性能存在显著影响：对于添加低纯度石墨制备的MgO-C耐火材料，其杂质在基质中易与镁砂等原料反应生成低熔点物相，从而破坏了材料内部的组织结构，降低了MgO-C耐火材料的高温力学性能。石墨的粒径同样会影响所制备的MgO-C耐火材料的抗氧化性和热震稳定性。配料所用鳞片石墨的粒径越大，其抗氧化性和热震稳定性越好。粒径大的鳞片石墨有着较完整的晶体结构以及较高的热导率，能够减缓被氧化速率并且减小热应力对于MgO-C耐火材料的损坏。因此，工业上生产MgO-C耐火材料所用鳞片石墨的粒度通常要求大于0.125mm。
2、炭黑
炭黑是在氧气不足的条件下通过有机物的不完全燃烧或受热分解获得的产物。属于无定型炭，由于其超细的粒度可以用于填充MgO-C耐火材料内部气孔和基质之间的缝隙。现有的研究结果表明，采用其它炭素原料部分替代鳞片石墨能提高低碳MgO-C耐火材料的性能。Liu等使用纳米碳黑部分代替鳞片石墨作为碳源，结果发现纳米尺寸的碳黑替代0.4wt%鳞片石墨能显著提高试样的热震稳定性，明显优于未添加炭黑的试样，其热震稳定性与碳含量为16wt%的试样相当。同时，试样的常温力学性能以及高温力学性能随着纳米碳黑含量的增强同样呈现上升的趋势。同时，唐等将纳米炭黑添加到结合剂酚醛树脂中制备复合结合剂。结果表明：纳米炭黑的引入显著提高了试样的力学性能。并且采用独特的炭黑-酚醛树脂复合结合剂的引入方式所制备的试样力学性能优于在基质中直接引入炭黑的试样。并且，炭黑的引入在提高试样的力学性能的同时降低了酚醛树脂炭化后气孔数量，提高了结合剂热处理后的石墨化程度。
3、碳的同素异形体
由于碳原子能够形成多种分子结构，碳有着多种同素异形体如碳纳米管，石墨烯，富勒烯等。对于其低维的同素异形体如碳纳米管或石墨烯，由于其独特的力学性能，作为炭素原料添加入MgO-C耐火材料中同样能提升MgO-C耐火材料的性能。研究表明，将碳纳米管添加到耐火材料中能提高其强度和韧性。Zhu等将石墨烯片引入低碳MgO-C耐火材料中，发现添加石墨烯试样的力学性能以及热震稳定性都有所提高。但是，由于上述材料在工业应用中无法大批量生产，其较高的成本也限制了其在耐火材料领域的应用。
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