镁质耐火材料的主要原料是菱镁矿、白云石和水镁石,其原料矿物在我国自然界中资源储备丰富,主要分布于辽宁、山东、河北等沿海地区,为我国镁质耐火材料的发展提供了有利的资源基础。
镁质耐火材料具有高熔点、优异的高温体积稳定性、良好的力学性能等众多优点,已被广泛用于钢铁、冶金、建材、陶瓷等高温工业领域。
不同的高温工业领域对镁质耐火材料的种类选择要求也不尽相同。一般而言,镁质耐火材料按化学组成划分为镁碳质耐火材料、镁钙质耐火材料和镁铝质耐火材料等不同性质和用途的耐火材料。同时,不同种类镁质耐火材料的性能优劣是衡量高温工业窑炉能否保持长期正常稳定生产的决定性因素。
为适应高温工业的迅速发展,高温工业对窑炉炉衬材料的要求越来越高,传统的镁质耐火材料已经无法达到高性能耐火材料的使用标准。利用纳米技术制备高性能复相材料以改善材料的性能具有较高的价值。目前,纳米技术因其具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸和宏观量子隧道效应的特点,已经被广泛应用于耐火材料领域,并成功制备轻质化和多功能化的复相耐火材料。
利用纳米技术制备复相镁质耐火材料,既可以缓解高温工业对高性能镁质材料的需求,又能实现镁质耐火材料的轻质化和多功能化,进而达到提高产品附加值的目的。毋庸置疑,纳米技术的出现为高端镁质耐火材料的制备和改性提供了有利条件。
纳米技术在镁质耐火材料中的应用,给镁质耐火材料的制备带来了革命性的变化。利用纳米技术在改善低碳镁碳质耐火材料的抗渣性和抗热震性、镁钙质耐火材料的抗水化性以及镁铝质耐火材料的烧结性能和力学性能等方面已经取得了进一步的提高和延伸,使镁质耐火材料的发展进入了一个新的时期。但仍处于不完全成熟的阶段,面临着许多亟需解决的关键问题,这些关键问题的好坏将直接影响纳米技术在镁质耐火材料中的发展空间和发展速度,主要表现在以下方面:
(1)纳米材料的分散性。在球磨混料过程中,当粒子尺寸达到纳米尺度时,纳米颗粒的表面上正负电荷集聚,且其比表面积和表面能增大而处于能量不稳定状态,在颗粒间普遍存在的范德华力和库仑力的共同作用下,纳米粉体颗粒间容易凝聚并团聚形成二次大颗粒。如果不加以分散而直接混料,存在的团聚二次颗粒将导致晶粒异常长大,造成性能的劣化,同时团聚纳米粉体颗粒间彼此间形成微孔结构,降低烧结致密度。
(2)纳米材料与镁质耐火材料基体的相容性。制备高性能的镁质耐火材料必须要考虑的关键问题是纳米材料与镁质耐火材料基体之间的界面相互作用,即分散相与基体相的相容性,以及热学性能的匹配。通过控制两种材料的相容性和热性能匹配优化镁质耐火材料的结构和功能,以实现一种性能优异的结构&功能一体化镁质复相耐火材料。
(3)纳米材料对镁质耐火材料的经济适用性。纳米材料制备工艺复杂,且价格比较昂贵,并对纳米材料制品纯度要求较高,导致镁质耐火材料的生产成本增加。对于大规模耐火材料制造商来说,成本效应也是企业的主要要求之一,纳米技术在镁质耐火材料中的应用必须事先仔细分析。
总之,随着钢铁、水泥、石油和化工等高温工业的高速发展,纳米技术在镁质耐火材料中的应用有巨大的发展空间,市场急切需要更为洁净和高性能的镁质耐火材料来保障高温行业的发展,这就要求镁质耐火材料除了高熔点、高密度和低气孔率外,还需要有良好的抗侵蚀性能、抗热性能和一定的机械强度,同时要兼顾经济的适用性。因此,纳米技术在镁质耐火材料中的应用是开发结构&功能一体化的长寿命镁质耐火材料的重要途径。