镁铝尖晶石质耐火材料是由镁砂和氧化镁含量(质量分数)不小于20%的尖晶石组成的耐火材料,但是由于Al2O3和MgO含量的变化范围较大,我们将以Al2O3和MgO为主要化学成分的耐火材料叫做镁铝尖晶石耐火材料。
MgAl2O4相是镁铝质耐火材料的核心物相,属于典型的尖晶石结构,具有高熔点、低热膨胀系数、良好的机械强度和耐熔渣侵蚀性等优良的性能。
采用传统工艺制成的尖晶石物相(即大颗粒的MgO和Al2O3经过高温烧结而制备MgAl2O4)存在缺陷,导致镁铝质耐火材料尚存在以下难点:一方面是烧结性能差,由于尖晶石形成过程会伴随5%~8%的体积膨胀效应,微观结构存在大量初始裂纹与微气孔,很难制备致密的制品;另一方面是力学性能较差,由于方镁石和尖晶石热膨胀系数相差较大而产生微裂纹,在一定程度上可提高其抗热震性能,但是随着大颗粒尖晶石含量增加,微裂纹缺陷和强度损失增加,难以满足高温行业发展。纳米技术是获得具有优异烧结性能、力学性能和抗热震性能镁铝质耐火材料的有效解决途径。
利用纳米技术协同提升镁铝质耐火材料的烧结性能、力学性能和抗热震性能,主要在于两方面:其一,纳米颗粒具有表面效应和小尺寸效应,可以降低MgO和Al2O3之间的接触点,缩短颗粒间扩散距离,促进制品烧结,提高力学强度。其二,调控微裂纹长度与晶粒尺寸的关系是控制镁铝质耐火材料烧结性能、力学性能和抗热震性能三者之间关系的关键。当晶粒尺寸大于临界晶粒尺寸时,材料内部就会出现裂纹,裂纹长度随着晶粒尺寸增加而增加,晶粒尺寸达到一定程度,裂纹相互贯通形成网状结构,使材料在服役条件下的强度几乎丧失,对于使用纳米级原料,可以减少材料内部的微裂纹长度和数量,纳米级颗粒更容易缓冲热应力,提高材料的强度和韧性。