微/纳米晶复相耐火材料高温下微观结构与最佳性能的稳定机制

耐火材料直接影响冶金等支柱产业在节能与环保中的作用，目前需要解决的重大难题是实现多数材料抗渣性和热震稳定性的统一，微/纳米晶复相耐火材料因有相当高的晶界能不利于裂纹产生和扩展而提高了热震稳定性，因气孔多数为纳米级有利于阻碍渣的渗透而提高抗渣性，因此有望解决上述难题。但它在高温下长期使用，晶粒会逐渐长大，微观结构逐渐向平衡态转变，使材料的品质和外观逐渐变化，导致使用性能不稳定。平衡态结构的耐火材料又往往呈现出最劣化的性能。因此微观结构与最佳性能具有一定高温稳定性的微/纳米晶复相耐火材料是人们所追求的目标，也是亟待解决、富有挑战的课题。因此本项目从烧结动力学出发研究微/纳米晶复相耐火材料高温下微观结构与最佳性能的稳定机制，主要包括研究该材料的高温结构演化关键诱因、非平衡态结构稳定性的表征方法与技术、最佳性能的稳定机制等内容，以揭示材料高温结构稳定性与最佳性能的对应关系，指导新材料开发和利用。

本项目完成计划研究内容，发表会议论文6篇，期刊论文2篇，Ei 收录8篇，申请专利3项，授权2项，培养毕业硕士生5名。. 为解决耐火材料应用难题-实现抗渣性和热震稳定性的统一，本项目研究微/纳米晶复相耐火材料微观结构与最佳性能具有一定高温稳定性的条件和机理：从研究常压烧结、热压烧结和SPS烧结对材料结构和性能的影响入手，分析热处理对三种材料晶粒大小和分布等微观结构参数及性能的影响，研究SPS烧结材料结构变化的动力学方程，分析结构变化的动力学诱因，进而分析微/纳米晶复相耐火材料高温下微观结构与性能的稳定机制。. 结果表明：(1)常压烧结、热压烧结和SPS烧结材料形成纳米晶的数量依次增多，性能依次增强，900℃热处理后性能提高分别为100%、40%和10%，因此高温下SPS烧结材料的高温稳定性最好，因为：这种方法制备的材料结构中形成更多、粒度更均匀的纳米级小晶粒，对大颗粒形成厚厚的包裹层，使绝大多数相邻晶粒的粒度和表面蒸汽压相近，离子迁移驱动力减弱，所以小晶粒的消失速度和大晶粒的长大速度都大大降低；大颗粒在烧结过程中参与反应，并发生颗粒解体行为，形成厚度远小于1μm的片层结构，片与片之间有纳米级小缝隙存在，有时会有少量的纳米晶填充在缝隙当中。(2)根据几何关系建立了颗粒尺寸变化的动力学模型，根据电路原理建立流经颗粒的电流分布方程，根据焦耳热效应建立样品中颗粒不同部位升温动力学方程。(3)在总电流6000A的前提下，Al l颗粒的体积百分比在12%以内时，Al加入量的变化将显著调控SPS烧结材料的结构与性能，采用适当的Al含量，将制备出纳米晶含量多、分布均匀的材料，有利于材料高温性能的稳定；当初始颗粒半径越小时，形成同样尺寸的颈部时，颗粒的半径减小越显著；当颗粒半径减小的百分比相同时，初始半径越小，颗粒的颈部尺寸越小，升温速率越大，因此颈部生长速度越大，烧结后越容易形成均匀的纳米晶结构；MgAlON复合材料的SPS烧结过程中，颗粒间颈部的形成是一个动态过程，大颗粒间形成颈部后颗粒变小，小颗粒间再次形成颈部加速了颗粒细化的进程，因此脉冲大电流作用的最终结果是有利于MgAlON复合材料生成大量均匀分布的微小颗粒；MgAlON复合材料这种高温结构稳定性与结构和性能的对应关系，有利于指导新材料开发和利用。