纳米碳材料对多碳耐火材料的影响
发布日期： 2020-07-22 09:49:38 阅读量（401） 作者：传统的含碳耐火材料所引用的碳源大多是石墨，又根据石墨量的多少分为了多碳耐火材料和低碳耐火材料，一般认为石墨含量不高于8%的含碳耐火材料成为低碳耐火材料，而石墨含量高于8%的含碳耐火材料则成为多碳耐火材料。
研究表明，石墨引入可以增加耐火材料制品的抗热震性和抗侵蚀能力，但是若石墨含量过高，就会使耐火材料制品的抗氧化性变差，石墨在高温使用过程中，与空气中的氧气发生反应，生成如 CO、CO2气体，导致耐火材料制品的气孔率升高，降低了耐火材料的抗侵蚀能力，从而降低了耐火材料的使用寿命;过多的碳在炼钢过程中，会增加钢水中的碳含量，是不利于低碳钢和洁净钢生产的影响因素;碳流失过程中伴随着大量的热量流失，不利于炼钢过程的节能减排，增加了炼钢的生产成本。而如果单单从降低石墨含量方面着手，会使耐火材料制品的抗热震稳定性和抗侵蚀能力大大降低。不利于耐火材料的性能保存。
纳米碳材料中的碳纳米管和石墨烯分别在1991年和2004年首次被发现，因其独特的性能，被广大学者所关注，同时有望提高低碳耐火材料力学性能抗热震性的最佳碳源。广大学者在多碳背景下研究了纳米碳材料对耐火材料性能的影响，并得到了诸多成果，例如:Zhu等[20]利用碳纳米管部分或者全部代替鳞片石墨， 采用相同的制备工艺制备镁碳耐火材料，并研究以碳纳米管作为碳源和鳞片石墨作为碳源时镁碳耐火材料的显微结构、力学性能、抗热震性的差异。 实验表明当以碳纳米管作为碳源，在 1 000℃和1 400℃烧结后，表现出比石墨碳源更高的力学性能，这样的结果表明碳纳米管作为碳源加入到镁碳耐火材料制品中可以使镁碳耐火材料制品达到增强、增韧的效果。对于镁碳耐火材料的抗热震性的对比，同样表现出优于鳞片石墨的性能。 加入5%碳纳米管的镁碳耐火材料抗热震性与加入10%鳞片石墨的镁碳耐火材料抗热震性相当。
Qinghu Wang等以铝、硅、SiO2作为添加剂制备了含氧化石墨烯纳米片(GONs)的Al2O3-C 耐火材料，结果表明与未掺GONs的 Al2O3-C耐火材料相比，掺GONs 的 Al2O3-C耐火材料的常温断裂模量(CMOR)、弯曲模量(E)、受力和位移曲线等力学性能均有所提高。这一改进归因于在 800℃下的 GONs 强化效应以及在 1 000~1400℃下与石墨片和原位形成晶须的协同强化效应。其中表 1 为实验的具体数据。
表 1 不同温度下烧制不同量氧化石墨烯纳米片试样的常温断裂模量和弯曲模量
Tianbin Zhu 等研究了氧化石墨纳米片(GONS)、碳纳米管(CNT)和炭黑(CB)对镁碳耐火材料的微观结构演变、力学性能和热机械性能的影响。 与相同条件下制备的含10%片状石墨的传统镁碳耐火材料进行了比较。因为纳米碳的存在以及在 MA 中陶瓷相的原位形成。 含碳纳米管的组分在1 000℃和1 400℃结焦后具有较高的冷断裂模量，纳米碳的加入提高了材料的抗热震性能。
Atul V Maldhure 等利用硝酸镍作为催化剂，酚醛树脂作为结合剂，研究了原位合成碳纳米管对镁铝碳耐火材料性能的影响。实验表明，3%硝酸镍可以催化酚醛树脂在热处理过程中进行改性、结构重排形成碳纳米管，并且由于碳纳米管的原位合成，增强了镁铝碳耐火材料制品的力学性能， 在800℃、1000℃、1200℃、1400℃时的常温抗压强度分别提高10.15%、30.75%、41.09%、25.62%。与此同时，制品的体积密度增加、气孔率下降，致使镁铝碳耐火材料制品的抗氧化性得到进一步提高。
郭巍等利用二茂铁作为催化剂，酚醛树脂作为结合剂，研究了二茂铁加入量对铝碳耐火材料性能的影响， 实验表明二茂铁加入量应在0~2%范围内，尤其是在1 000℃热处理后，有利于制品力学性能的提高，并且由于二茂铁的加入催化了酚醛树脂在热处理过程中，制品内部原位形成纳米碳材料，而原位形成的纳米碳材料有助于与添加剂 Si 反应形成 β-SiC 晶须，进一步提高铝碳耐火材料的强度。 但是催化剂的加入并不能改变铝碳耐火材料的抗氧化性能。
在多碳背景下，无论直接加入纳米碳材料还是原位合成纳米碳材料均可以使耐火材料的力学性能得到提高。在热处理后石墨和纳米碳材料共同提高耐火材料的力学性能，当耐火材料制品中加入一定的抗氧化剂时，纳米碳材料更容易与抗氧化剂性能一定的陶瓷晶须，而进一步的提高耐火材料的韧性。由于纳米碳材料上存在一定的缺陷易发生氧化和结构蚀变，导致了纳米碳材料在多碳背景下，不能全部代替石墨作为碳源，而部分取代石墨作为碳源的效果相对较好。
但是，在多碳背景下，直接加入纳米碳材料时，纳米碳材料随着温度的增加其结构变化机理的研究说明尚显模糊，尤其是在1400℃以上的温度，研究并未过多涉及，在不同气氛，如氧化气氛和还原气氛对纳米碳材料的影响，上述研究并未做针对性研究。原位生长法引入纳米碳材料的过程，可以一定程度上催化陶瓷相晶须的具体反映机理交代模糊，尚需进一步的探讨。
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