2 耐火材料的显微结构与性质
精品课件-耐火材料的组成和性质
从生产工艺角度出发，有效地提高耐火材料的抗渣性，应从下列两个主要 途径着手： (1)保证和提高原料的纯度，改善制品的化学矿物组成。 (2)选择适宜的生产方法，获得具有致密而均匀的组织结构的制品。
反比透透，气气气度度体是系粘表数度示通随气常温体用度通干升过燥高K耐的而火空增制气(大品在P。难1常气易温QP程体下2d)度透测 的A过定特量。t性与气值孔体。道的半透径过的量四与次气方体成粘正度比成。
第三节 耐火材料的热学性质和导电性 一、热膨胀 耐火材料的热膨胀是指其体积或长度随着温度升高而增大的物理性质。 一般用线膨胀率表示。
二、高温力学性质 1、高温耐压强度 是材料在高温下单位截面所能承受的极限压力。 2、高温抗折强度 是材料在高温下单位截面所能承受的极限弯曲应力。
3、高温扭转强度 高温扭转强度是材料的高温力学性质之一。 它表征材料在高温下抵抗剪应力的能力。 测定时将试样一端固定，另一端施以力矩作 用，试样发生扭转变形。当试样被扭转时，试样 内各横截面上产生剪切应力，当应力超过一定限 度时，试样发生断裂。在高温下试样被扭断时的 极限剪切应力，称为高温扭转强度。
熔液侵蚀过程主要是耐火材料在熔渣中的溶解过程和熔渣向耐火材料内部的侵入(渗 透)过程。
耐火材料向熔渣中溶解的过程可分为：
(1)单纯溶解 耐火材料与熔渣不发生化学反应的物理溶解作用。
(2)反应溶解 耐火材料与熔渣在其界面处发生化学反应，使耐火材料的工作面部分转 变为低熔物(反应产物)而溶于渣中，同时改变了熔渣和制品的化学组成。
4、高温蠕变性
材料在恒定的高温、 恒定的外力作用下所发 生的缓慢变形，称高温 蠕变。
两种熔铸耐火材料弹性性能和显微结构的研究
包 围 。第二 种 Ｈ Ｚ材 料 含 有 ９ ％Ｚ０ 和 ６ ４ ｒ２ ％玻 璃
相 。两 种 材 料 中 的氧 化 锆 全 为 单 斜 相 。 图 １显 示
了两 种 材 料 的 典 型 显 微 结 构 。Ａ Ｓ的显 微 结 构 较 Ｚ 为 复 杂 ， 具 有 Ｚ Ｏ 主 晶 粒 和 Ａ ３ ＺＯ 共 晶 成 ｒ １ 一 ｒ ０ 分 ，并 由富 硅 玻璃 相 包 围 。Ｈ Ｚ材 料 只 有或 多 或 少 的玻 璃 相 薄 膜 ，并 填 充 于 ＺＯ 晶 粒 之 间 。 因 此 ， ｒ
四方 ：
・经 过 第 二 阶 段 ，第 ｊ 阶段 中 Ｅ开 始 下 降 ， 同 时 伴 随 着 波 的严 再 衰 减 ，致 使 信 号 不 能 外 推 至
关 键词 ：杨氏模量； ２３ ｒ２ Ｓ ２ ０；ＺＯ ； ｉ ；耐火材料 Ｏ
中图分 类 号 ： Ｑ ７． Ｔ １５１ ２
文 献标 识 码 ：Ａ
文章 编 号 ：１７—７ ２（０８ ６０３ —５ ６３ ７９ ２０ ）０ —０７０
１ 前 言
由于具有优异 的抗侵蚀 性能 ，熔铸耐火 材料
第３卷 第６ ３ 期
２０ ０ ８年 １ ２月
耐 火 与 石 灰
・３ ７・
莫 来 石 一 品石 质 喷 吹用 塞头 砖 的透 气 性 很 稳 定 ， 尖
在 试 验 期 间及 在 钢 厂 应 用 期 间 未 观 察 到 失 去 透 气
玉尖 晶石 质 试样 的抗 渣性 大 于刚 玉 一 来 石 一 晶 莫 尖 石质 试 样 的该 项指 标 。
高温冷却 。产生的 内部应 力对显 微结构造成 破坏 。使 用高温超声波 反射技术可 以测量杨 氏模量 。依照化学和 矿 物成 分、物理一 学转变确定 特征现 象。杨 氏模量受每 相本征特 征 的影响 ，同时相 间的热膨 胀失配 也损坏了 杨 化
耐火材料性质
耐火材料是由固相（包括结晶相与玻璃相）和气孔两部分构成的非均质体，三者之间的相对数量及其分布和结合形态构成了耐火材料的显微结构。
而耐火制品的显微组织结构表征的是耐火材料中主晶相与基质间的结合形态。
耐火材料主晶相与基质的结合形态有两种：即陶瓷结合与直接结合。
1.3.3 耐火材料的常温物理性质耐火材料的常温物理性质包括气孔率、体积密度、真密度和比重等一系列物理指标。
（1）气孔率耐火材料（或耐火制品）中气孔体积与总体积之比称为气孔率。
耐火材料中的气孔可分为三类：开口气孔（显气孔）、贯通气孔、封闭气孔。
若把开口气孔与贯通气孔合并为一类，也可把耐火制品的气孔分为开口气孔和封闭气孔两类。
耐火制品中的气孔有一端封闭称为开口气孔，两端均与外界相同称为贯通气孔、封闭在制品中不与外界相通称为封闭气孔。
一般认为，耐火制品在使用过程中，由于外界介质的侵蚀而损坏时，贯通气孔起着主要的作用。
一般说来，耐火制品（除熔铸制品和隔热制品外）中，开口气孔（包括贯通气孔）占绝对多数，闭口气孔则很少，如硅砖、镁砖、镁铬砖等制品闭口气孔接近于零。
因此，耐火材料的气孔率通常分为真气孔率和显气孔率（即开口气孔率）。
由于显气孔率的测定较为容易，所以耐火材料气孔率的指标常以显气孔率来表示：（2）吸水率吸水率是指耐火制品中全部开口气孔吸满水时，制品所吸收水的重量与制品重量之比。
吸水率实质上是反映制品中开口气孔量的一个指标。
（3）体积密度耐火制品单位表观体积的质量称为体积密度，通常用kg/m 3或g/cm 3表示。
对于同一种耐火制品而言，其体积密度与显气孔率呈负相关关系，即制品的体积密度大则显气孔率就低。
（4）真密度耐火材料的质量与其真体积（即不包括气孔体积）之比，称为真密度，通常也用g/cm 3来表示。
（5）透气度透气度是表示气体通过耐火制品难易程度的特征值，其物理意义是在一定时间内和一定压差下气体透过一定断面和厚度的试样的量：气孔率和体积密度等技术指标只是表征耐火制品中气孔体积的多少和制品的致密程度，但并不能够反映气孔的大小，分布和形状。
耐火材料-2
由于溶剂作用，降低制品耐火性能，通常视为有 害成分，既使含量甚微也是不容忽视的。因此在 标准内都有一定的规定。
由于化学反应生成低熔性液相； 虽然不一定是低熔性的，但在相同温度下生成的液相 量较多。
12
可从下述三方面来衡量杂质成份溶剂作用的强弱：
系统中开始生成共熔液相温度的高低； 单位熔剂（杂质）作用生成液相量的多少； 随温度升高，液相量的增长速度。
其中Vb，Vo，Vc分别代表总体积，开口气孔和闭 口气孔的体积。
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注意：制品的气孔率指标通常用开口气孔率表示。
开口气孔与外界相通对制品使用时影响较重要； 在一般制品中（除熔铸制品和轻质隔热制品外） 开口气体积占总气孔体积的绝对多数，闭口气孔 体积则很少； 闭口气孔体积难于直接测定；
35
气孔率的高低与 原料种类无关，主要 决定于生产工艺过程， 其数值可小到零或大 到75～80％。一般致 密制品为10～28％。
例：镁质制品主要成分MgO，矿物成分为方镁石；杂质 成分SiO2，CaO，Fe2O3，Al2O3。 又根据杂质成分中CaO/SiO2分子比： 1 1 1.5 >2 M2 S CMS C3MS2 C2S
杂质成分中MgO与Fe2O3和Al2O3分别形成：MF，MA,表明知道化学组 成可估计其矿物组成，即又相互联系。
研究耐火材料矿物组成从：
为确定工艺，鉴定质量和判断使用的重要依据。
24
主晶相与基质
主晶相：是指构成制品结构的主体且熔点高的晶 相。 基质（结合相）：是指填充在主晶相间其它不同 成分的结晶矿物和玻璃相，也称结合相。
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陶瓷与耐火材料(2)结构与性能1PPT课件
取决于材料的组成与结构。 受晶体结合键强度控制，随温度变化。
硬度/晶粒尺寸/气孔率、温度
14
小结
力 学 性 能
耐 压 强 度
抗 折 强 度
蠕 变 性
弹 性 模 量
耐 磨 性
15
2.3 耐火材料的热学性质
热 学 性 能
……
热
导
比
膨 胀
热
热
性
性
容
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2.3.1 热膨胀性
材料的长度和体积随温度发生变化的性能。
5
密度、气孔率、吸水率
密度是材料的质量与体积之比。 视密度/真密度 ---------------相对密度
气孔率是耐火材料中的气孔体积与材料总体积之 比。 总气孔率（真气孔率）/封闭气孔率/显气孔率
透气度
6
2.2 耐火材料的力学性质
力 学 性 能
耐 压 强 度
抗 折 强 度
蠕 变 性
弹 性 模 量
陶瓷与耐火材料
第二章 耐火材料的组成和性质1ຫໍສະໝຸດ 2.1 耐火材料的显微结构
耐火材料的显微结构通常 由三种不同的相组成，即 晶相、玻璃相和气相。
2
晶相——是耐火材料中原子、离子和分子按周期、有规律 的空间排列而成的固体相，是最主要的组成相，耐火材 料的物理、化学性质主要由晶相所决定。耐火材料的晶 体结构比较复杂，晶相的结构与配料矿物和制作工艺有 关。
8
2.2.1 耐压强度
高温耐压强度
高于1000-1200℃温度时材料单位面积所能承受的 最大的力。
S=P/A (Pa，MPa，GPa)
随温度升高发生明显变化。
抗压
A:晶体：↘
耐火材料——精选推荐
1耐火材料定义：耐火度不低于1580的非金属材料。
即耐火材料是用作高温窑、炉等热工设备，以及高温容器和部件的无机非金属材料，耐火度不低于1580℃，并在高温下能承受相应的物理化学变化及机械作用。
2耐火材料分类：（根据化学性质）酸性耐火材料、碱性耐火材料、中性耐火材料; 根据耐火度可分为: 普通耐火制品：耐火度为1580~1770℃, 高级耐火制品：耐火度为1770~2000℃,特级耐火制品：耐火度大于2000℃ .3耐火材料显微结构：耐火材料是由固相（包括结晶相和玻璃相）和气孔两部分构成的非均质体宏观结构。
4耐火材料的分类根据耐火度可分为: 普通耐火制品：耐火度为1580~1770℃;高级耐火制品：耐火度为1770~2000℃; 特级耐火制品：耐火度大于2000℃ . 5 开口气孔率（显气孔率）: =13V V V+×100%,V 0、V 、V 分别表示总体积、 开口气孔和闭口气孔体积c m6吸水率:它是制品中全部开口气孔吸满的水的质量与其干燥质量之比，以百分率表示。
7透气度:是表示气体通过耐火制品难易程度的特性值。
8真密度:是指不包括气孔在内的单位体积耐火材料的质量9耐火材料的热膨胀是指其体积或长度随着温度升高而增大的物理性质。
10线膨胀系数是指由室温至试验温度间，每升高1 ℃，试样长度的相对变化率。
11热导率是表征耐火材料导热性的一个物理指标，是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。
12气孔率对热导率的影响：耐火材料通常都含有一定的气孔，气孔内气体热导率低，因此气孔总是降低材料的导热能力。
在一定温度以内，对一定的气孔率来说，气孔率愈大，则热导率愈小。
13常温耐压强度 ：是指常温下耐火材料在单位面积上所能承受的最大压力。
14耐磨性：耐火材料抵抗坚硬物料或气体(如含有固体颗粒的)磨损作用(研磨、摩擦、冲击力作用)的能力。
15高温耐压强度是材料在高温下单位截面所能承受的极限压力。
第1章、耐火材料的组成、结构与性能
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1.2 耐火材料的化学-矿物组成
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杂质成分 耐火材料中由原料及加工过程中带入的非主 要成分的化学物质（氧化物、化合物等）称为杂质，也 称之为熔剂。
添加成分 耐火材料的化学组成中除主要成分和杂质成 分外有时为了制作工艺的需要或改善某些性能往往人为 地加入少量的添加成分，引入添加成分的物质称为添加 剂。按照添加剂的目的和作用不同可分为矿化剂、稳定 剂、促烧剂等。
某些耐火材料具有导电性，如含碳耐火制品具有导 电性，而二氧化锆制品在高温下也具有较好的导电性， 可以作为高温下的发热体。
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1.6 耐火材料的力学性质
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力学性质是表征耐火材料抵抗不同温度下外力造 成的形变和应力而不破坏的能力。
耐火材料的力学性质通常包括耐压强度、抗折强 度、扭转强度、耐磨性、弹性模量及高温蠕变等。
键强高的材料具有低的热膨胀系数(SiC)；
组成相同的材料，晶体结构不同，其热膨胀系数也不同 (石英和石英玻璃）；
加热过程中，存在多晶转变的材料，其热膨胀系数也要 发生相应的变化（鳞石英、方石英）。
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1.5 耐火材料的热学性质和导电性质
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（2）热导率
耐火材料的热导率是指单位温度梯度下，单位时间内 通过单位垂直面积的热量，用λ表示：
率的指标常以显气孔率来表示：
Pa
V1 V0
100%
式中：Pa为显气孔率
V1为制品中开口气孔的体积
V0为制品的总体积，即试样外表面围成的体积， 亦称表观体积。
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1.4 耐火材料的常温物理性质
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2 耐火材料的显微结构与性质
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玻璃相是指高温下将转变为液相的那部分相组成，又 称液相。液相的组成和性质以及液相与晶相之间的关系及 其分布对于材料常温和高温性能有很大影响。玻璃相对于 晶相而言是耐火制品的相对薄弱之处。
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玻璃相在显微结构中的分布有三种情形：
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详细来分耐火材料的显微结构的组成单元包括：
颗粒、晶粒、气孔、晶界与相界、物相组成、晶粒
取向等。
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1. 气孔与裂纹
耐火材料通常不是完全致密的，一般都存在一
定的气孔。气孔可以存在于颗粒中，也可以存在于
料的性质由材料的组成、结构所决定，材料的组成
结构是由原料与制造工艺所决定。
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使用 用途
组成 结构 性质 性能
制备工艺
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本章结合耐火材料的使用条件、损毁机理来讨论
耐火材料的显微结构、性质及其之间的关系。 耐火材料显微结构复杂，具有多相非均质结构。 耐火材料性质主要包括物理性质、使用性能等。
基质中。
气孔的存在会影响耐火材料的强度，热震稳定 性、抗渣性等性能。
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气孔产生的原因： 1、原料中的气孔（原料没有烧好）； 2、制品成型时，颗粒间的气孔；
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现有的气孔率和气孔尺寸的测定中，材料中的裂纹也
包括在气孔中，其对材料的强度、热震稳定性有很大影响。
裂纹的参数主要有裂纹的数量、长度与宽度等。
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2. 颗粒、晶粒
一个颗粒中常包括多个晶粒。颗粒与晶粒的尺寸对耐
火材料的性能有较大影响。颗粒的表征和气孔的表征类似。
基质中。
气孔的存在会影响耐火材料的强度，热震稳定 性、抗渣性等性能。
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气孔产生的原因： 1、原料中的气孔（原料没有烧好）； 2、制品成型时，颗粒间的气孔；
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耐火材料的气孔分为开口气孔和闭口气孔。 开口气孔：与材料外界相通的气孔，也成为显气孔 闭口气孔：被材料本身完全封闭，不与外界相通的气孔。
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本章结合耐火材料的使用条件、损毁机理来讨论
耐火材料的显微结构、性质及其之间的关系。 耐火材料显微结构复杂，具有多相非均质结构。 耐火材料性质主要包括物理性质、使用性能等。
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材料科学微结构：在显微镜下所能观察到的结构。主
要研究试样含有相的种类、数量、形态、大小、分
在晶界和相界中都存在界面能，会对材料的性能有 一定影响，因此控制晶界和相界的组成是耐火材料设计 中一个重要组成部分。
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5. 显微结构的控制与检测
（1） 影响耐火材料显微结构的因素
化学组成：相组成、晶界组成与结构 配料组成： 颗粒组成：颗粒大小与分布、气孔与数量分布 混合成型：气孔形状与分布、相分布 烧成：所有的显微结构包括晶粒的形状、尺寸，气孔率、气 孔的尺寸与分布、玻璃相组成与分布、晶界数量与组成等
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玻璃相是指高温下将转变为液相的那部分相组成，又 称液相。液相的组成和性质以及液相与晶相之间的关系及 其分布对于材料常温和高温性能有很大影响。玻璃相对于 晶相而言是耐火制品的相对薄弱之处。
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玻璃相在显微结构中的分布有三种情形：
布取向和它们之间的相互关系。
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耐火材料的显微结构分为两大部分：颗粒与基质 颗粒（骨料） ：在制备过程中以颗粒的形式加入， 并与基质结合存在于耐火材料中。 基质（结合相）：存在于颗粒之间各物相的总称， 通常是配料中加入的各种细粉、结合剂、添加剂通 过烧成或其他处理形成的。
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定性影响，又分为主晶相和次晶相。
主晶相是指构成耐火制品结构的主体而且熔点较 高的结晶相。主晶相的性质、数量、结合状态直接决 定着耐火制品的性质。
次晶相又称第二固相，是在高温下与主晶相共存 的第二晶相。如镁铬砖中与方镁石并存的铬尖晶石次 晶相也是熔点较高的晶体，它的存在可以提高耐火制 品中固相间的直接结合，同时可以改善制品的某些特 定的性能。如：高温结构强度以及抗熔渣渗透、侵蚀 的能力。
颗粒的形状也对材料的性质有影响，耐火材料显微结 构中颗粒的形状常可分以下几种：
片状
柱状
粒状
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3. 相组成
耐火材料的相组成很复杂，主要包括了晶相、玻璃相 与气相。其中气相就是材料中的气孔与裂纹。
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晶相是耐火材料最重的组成部分，对其性质有决
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详细来分耐火材料的显微结构的组成单元包括：
颗粒、晶粒、气孔、晶界与相界、物相组成、晶粒
取向等。
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1. 气孔与裂纹
耐火材料通常不是完全致密的，一般都存在一
定的气孔。气孔可以存在于颗粒中，也可以存在于
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材料的使用条件对材料的性质提出要求，而材
料的性质由材料的组成、结构所决定，材料的组成
结构是由原料与制造工艺所决定。
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使用 用途
组成 结构 性质 性能
制备工艺
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（2） 耐火材料显微结构的研究方法
压汞法
相组成分析 XRD 显 微 结 构 显微结构特征
SEM
TEM
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扫描电镜
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透射电镜
（1）玻璃相形成网络结构 （2）玻璃相不连续 （3）无玻璃相
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4. 晶界与相界
相界：通常是指两相之间的界面。如固相与液相之 间的界面、固相与气相之间的界面、不同固相之间的界 面。在耐火材料显微结构中，颗粒与基质、晶相与玻璃 相、晶相与气孔等不同相之间的界面都属于相界。 晶界：晶粒与晶粒之间的界面。
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气孔的表征：
耐火材料气孔的表征主要包括气孔率、气孔孔径及其 分布、气孔的形状等。 显气孔率：
气孔率
闭气孔率： 真气孔率：
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孔径的分布
累计分布曲线 常态分布曲线
孔径的大小
中位径（ d50）：累计百分数为50%时气孔孔径
平均孔径（da）：所有气孔孔径平均值