在科技高速发展的形势下,制取耐高温,高性能的新型材料,首先须解决制取过程中所需要的耐火材料。耐火材料的特点如下:
1.力学性质
特种耐火材料的弹性模量都大。大多数具有较高的机械强度,但与金属材料相比,由于脆性,抗冲击强度甚低。绝大多数的特种耐火材料具有较高的硬度,因此耐磨,耐气流或尘粒冲刷性比较好。大多数特种耐火材料的高温蠕变都比较小,较大的是二硅化钼。蠕变值的大小与结晶尺寸,晶界物质,气孔率等有关系。
2.热学性质
(1)热膨胀性:热膨胀性指材料的线度和体积温度升降发生可逆性增减的性能。常以线膨胀数或体积膨胀系数表示。大多数特种耐火材料的线膨胀系数都比较大,仅有熔融石英,氧化硼,氧化硅的线膨胀系数比较小。
3.使用性质
(1)耐火性:特种耐火材料的熔点几乎都在2000℃以上,较高的碳化铪(HfC)和碳化钽(TaC)为3887℃和3877℃。耐火度也很高,在氧化气氛中,氧化物的使用温度甚至接近熔点。氮化物,硼化物,碳化物在中性或还原性气氛中比氧化物有更高的使用温度,例如TaC在N2气氛中可使用到3000℃,BN在Ar气氛中可使用到2800℃。耐高温性能依次为:碳化物>硼化物>氮化物>氧化物。而它们的高温抗氧化性为:氧化物>硼化物>氮化物>碳化物。
(2)抗热震性:在特种耐火材料中,由于氧化铍的热导率低,大多数硼化物的热导率也不高,熔融石英的线膨胀系数特别小,所以抗热震性很好。某些纤维制品及纤维增强复合制品有较高的气孔率及抗张强度,这些材料的抗热震性比较好。碳化硅,氮化硅,氮化硼,二硅化钼等也有较好的抗热震性。
而熔点高,化学稳定好,高温性能优良氧化物材料并不多,氧化锆(VK-R30)是用温度高(2300℃~2400℃),化学稳定性好,不易分解,抗酸碱炉渣侵蚀性强,是良好的特种氧化物耐火材料。
纳米二氧化锆(VK-R30)为无毒无味白色粉末,因烧结温度及添加氧化钇等稳定物含量的不同可分为单斜相、四方相和立方相三种,溶于硫酸、HF。纳米氧化锆分散性好,具有良好的热化学稳定性、高温导电性和较高的强度和韧性,机械、热学、电学、光学性质良好,纳米氧化锆粒径小、稳定性强,具有耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐高温的性能。
氧化锆(VK-R30)耐火材料指以氧化锆为主要成分的制品。目前国内这类耐火材料对氧化锆的要求集中在 ZrO2一CaO,ZrO2一MgO,ZrO2一Y203三个系列 ,其 中 Z 一CaO使用量大。氧化锆耐火材料制品的质量水平在很大程度上取决于原料 ,氧化锆原料的化学成分决定了材料可能的晶体结构和制品的化学稳定性,原料的粒度控制基本决定了制品的使用性能,原料的制备工艺决定了原料的晶体结构和杂质含量。
氧化锆在耐火材料中的作用
(1)良好的化学稳定性,延长 Fe等金属离子对耐火材料制品的侵蚀 。
(2)改善材质的性能,提高耐火材料制品的热稳定性 。
(3)可根据复合项的不同性能,优选生产工艺提高耐火材料制品的性能和降低生产成本。
氧化锆耐火材料的几种应用:
(1)氧化锆坩埚
氧化锆的熔点高达2700℃,即使加热到1900多摄氏度也不会与熔融的铝、铁、镍、铂等金属,硅酸盐和酸性炉渣等发生反应,所以用氧化锆材料制作的坩埚能成功地熔炼铂、钯、钌、铯等铂族贵金属及其合金,亦可用来熔炼钾、钠、石英玻璃以及氧化物和盐类等。
(2)氧化锆耐火纤维
氧化锆纤维是一种能够在1600℃以上高温环境下长期使用的陶瓷纤维耐火材料,具有比氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维等更高的使用温度和更好的隔热性能,并且高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、不易挥发。
(3)氧化锆窑炉材料
氧化锆作为耐火材料主要用在大型玻璃池窑的关键部位,早期使用的锆质耐火材料,其氧化锆含量仅为33%~35%,日本旭硝子公司研制成功含氧化锆94%~95%的锆质耐火材料,将其使用在玻璃窑顶部和关键部位,大大提高了玻璃窑的寿命。
