知識(shí)圖譜視角下耐火材料的研究發(fā)展

王玉龍，王周福，王璽堂，劉 浩，馬 妍，姜鵬程

(武漢科技大學(xué)，省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430081)

0 引 言

耐火材料是高溫工業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)材料[1-3]，沒有先進(jìn)的耐火材料作為支撐，冶金、石油等需要進(jìn)行高溫過程的國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)便難以健康發(fā)展[4]。因此，堅(jiān)持不懈地發(fā)展耐火材料行業(yè)，也是社會(huì)持續(xù)發(fā)展的必然需要。隨著相關(guān)研究的不斷深入，文獻(xiàn)的積累也越來越多(見圖1)，然而，目前針對(duì)這些文獻(xiàn)尚未有全面、定量、深入的分析與歸納，不利于系統(tǒng)地把握耐火材料研究的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。

圖1 耐火材料相關(guān)文獻(xiàn)的年發(fā)文統(tǒng)計(jì)Fig.1 Annual statistics of relevant literature on refractories

要掌握研究領(lǐng)域的知識(shí)基礎(chǔ)及前沿?zé)狳c(diǎn)，傳統(tǒng)的方法是閱讀文獻(xiàn)綜述。但是，傳統(tǒng)的綜述寫作效率不高，在數(shù)量和時(shí)效性上受限，因此采用該方法對(duì)相關(guān)信息的了解不能確保全面和及時(shí)[5-6]。面對(duì)日新月異、增長(zhǎng)迅猛的知識(shí)海洋，亟需采用新的工具解決在未來研究中遇到的新挑戰(zhàn)。比如知識(shí)圖譜方法就可以幫助相關(guān)研究人員從已有的海量學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)(特別是文獻(xiàn)數(shù)據(jù))中更為全面、及時(shí)地提取相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)、研究熱點(diǎn)和主題分布等諸多信息。本文選取了VOSviewer和CiteSpace這兩個(gè)具有代表性的知識(shí)圖譜分析工具，并基于中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)中文核心期刊數(shù)據(jù)庫(kù)和WOS(Web of Science)核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的耐火材料研究分別進(jìn)行了可視化分析，通過共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和共被引網(wǎng)絡(luò)從整體上展示了基于期刊文獻(xiàn)分析的耐火材料研究的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，并以含碳耐火材料為例，展示了細(xì)分研究領(lǐng)域的近年熱點(diǎn)以及發(fā)展方向，最后對(duì)耐火材料及知識(shí)圖譜的未來發(fā)展作出了展望。

1 中國(guó)耐火材料研究發(fā)展脈絡(luò)

為歸納出中國(guó)耐火材料研究概況，選取CNKI中文核心期刊數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)來源。該數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)采集于2022年5月12日，以“耐火材料”為主題詞進(jìn)行檢索，文獻(xiàn)類型選擇學(xué)術(shù)期刊，共得文獻(xiàn)4 939篇，時(shí)間跨度為1992—2022年。

關(guān)鍵詞往往被認(rèn)為是文獻(xiàn)內(nèi)容的高度凝練，因此將信息導(dǎo)入VOSviewer，將文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞(出現(xiàn)次數(shù)不少于30次)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)繪于圖2(節(jié)點(diǎn)大小代表出現(xiàn)次數(shù)，顏色深淺代表平均出現(xiàn)時(shí)間，連線寬度代表共同出現(xiàn)的強(qiáng)度)。

圖2 中國(guó)耐火材料研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Keywords co-occurrence network of Chinese refractory researches

由圖2可以觀察研究論文中的高頻關(guān)鍵詞，它們之間共同出現(xiàn)的幾率大小以及關(guān)鍵詞隨時(shí)間的演化狀況?？梢园l(fā)現(xiàn)，除“耐火材料”這一標(biāo)識(shí)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞外，時(shí)間較早的關(guān)鍵詞如“高爐”“內(nèi)襯”“鋼包”“連鑄”“耐火纖維”“涂料”“熔模鑄造”等主要集中于耐火材料的工程應(yīng)用場(chǎng)景，而時(shí)間較新的關(guān)鍵詞如“熱導(dǎo)率”“抗氧化性”“抗熱震性”“抗侵蝕性”“燒結(jié)性能”“相組成”“顯微結(jié)構(gòu)”等帶有較強(qiáng)的科學(xué)研究性質(zhì)，說明了中國(guó)耐火材料研究逐漸專業(yè)化、精細(xì)化與理論化。為了進(jìn)一步深入了解文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞演變規(guī)律，使用CiteSpace計(jì)算出各典型關(guān)鍵詞出現(xiàn)的突發(fā)(指出現(xiàn)量大增)數(shù)據(jù)，人工分類后列入表1。

表1 知網(wǎng)期刊中典型耐火材料研究關(guān)鍵詞的突發(fā)強(qiáng)度及年份Table 1 Burstness and year of typical refractory research keywords in CNKI journals

依據(jù)表1可以通過關(guān)鍵詞更加詳細(xì)地了解中國(guó)耐火材料研究的側(cè)重點(diǎn)演變，并與關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相互印證：在20世紀(jì)90年代至本世紀(jì)初，耐火材料的研究大部分圍繞實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景與材料供貨狀態(tài)，前者的典型關(guān)鍵詞有“加熱爐”“高爐”“直流電弧爐”“循環(huán)流化床鍋爐”等，后者的典型關(guān)鍵詞有“耐火磚”“耐火纖維”“耐火澆注料”等；而從21世紀(jì)初至今，耐火材料的主要研究陣地從耐火材料制造企業(yè)逐漸轉(zhuǎn)移到專門的研究機(jī)構(gòu)，因此研究呈現(xiàn)出精細(xì)化、體系化的特點(diǎn)，即對(duì)耐火材料的各項(xiàng)性能、微觀結(jié)構(gòu)、物相組成以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行了較深入的研究，并開始考慮耐火材料及其接觸的介質(zhì)在應(yīng)用體系中的變化過程，典型關(guān)鍵詞有“燒結(jié)”“強(qiáng)度”“抗熱震性”“顯微結(jié)構(gòu)”“物相組成”“界面反應(yīng)”“夾雜物”等。

2 世界耐火材料研究發(fā)展脈絡(luò)

為歸納出世界耐火材料研究概況，選取Web of Science(WOS)核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)來源。該數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)采集于2022年5月20日，以“refractory(主題)not alloy(主題)not entropy(主題)”進(jìn)行檢索，文章類型選擇“論文”或“綜述論文”，文章領(lǐng)域選擇“Materials Science Ceramics or Materials Science Multidisciplinary or Metallurgy Metallurgical Engineering”，共得文獻(xiàn)10 329篇，時(shí)間跨度為1917—2022年。

2.1 世界耐火材料研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞是內(nèi)容的高度概括，因此將相關(guān)信息導(dǎo)入VOSviewer，將關(guān)鍵詞(出現(xiàn)次數(shù)不少于110次)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)繪于圖3(節(jié)點(diǎn)大小代表出現(xiàn)次數(shù)，顏色深淺代表平均出現(xiàn)時(shí)間，連線寬度代表共同出現(xiàn)的強(qiáng)度)。

在文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞中，除了標(biāo)識(shí)研究領(lǐng)域的“refractories”外，可以發(fā)現(xiàn)較早的研究更加注重耐火材料的材質(zhì)選擇，代表性關(guān)鍵詞有“Al2O3”“MgO”“ceramics”“mullite”等；隨后的研究則更注重耐火材料抗渣性相關(guān)的研究，代表性關(guān)鍵詞有“slag”“dissolution”“kinetics”“corrosion”“spinel”“carbon”“graphite”“oxidation”等；至于當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，應(yīng)該是耐火材料精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究、反應(yīng)過程與機(jī)理的探索，代表性關(guān)鍵詞有“microstructure”“behavior”“evolution”“mechanism”等。

為了進(jìn)一步深入了解世界耐火材料研究中關(guān)鍵詞的具體演化過程，將文獻(xiàn)信息導(dǎo)入CiteSpace計(jì)算出代表性關(guān)鍵詞的突發(fā)情況，并人工分類列于表2。結(jié)合表1與表2，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于耐火材料的研究熱點(diǎn)無論在中國(guó)還是在全世界都是相似的：早期耐火材料的研究都是緊緊圍繞工業(yè)上的應(yīng)用場(chǎng)景，代表性關(guān)鍵詞有“continuous casting(連鑄)”“immersion nozzle(浸入式水口)”“blast furnace(高爐)”等；稍后的研究則更關(guān)注耐火材料的單項(xiàng)性能，代表性關(guān)鍵詞有“thermal shock(抗熱震性相關(guān))”“dissolution(抗渣性相關(guān))”“thermal expansion(熱膨脹性能相關(guān))”等；而到了接近現(xiàn)在的時(shí)間，由于各種先進(jìn)技術(shù)的采用，耐火材料的研究也進(jìn)入了更加精細(xì)的階段，代表性關(guān)鍵詞有“electron microscopy”“X-ray diffraction”“nanostructure”等。不僅如此，對(duì)關(guān)鍵詞突發(fā)的探測(cè)還可以發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期文獻(xiàn)使用的關(guān)鍵詞偏好等信息，比如英文指代“耐火材料”的關(guān)鍵詞(未列入表中)，就由“refractory”(1994—2009年)逐漸改變?yōu)椤皉efractory material”(2007—2014年)或“refractory concretes”(2009—2012年)。

圖3 世界耐火材料研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Keywords co-occurrence network of world refractory researches

表2 WOS期刊中典型耐火材料研究關(guān)鍵詞的突發(fā)強(qiáng)度及年份Table 2 Burstness and year of typical refractory research keywords in WOS journals

2.2 世界耐火材料研究的術(shù)語(yǔ)共現(xiàn)分析

雖然關(guān)鍵詞是作者對(duì)文獻(xiàn)內(nèi)容的凝練，但畢竟其只有數(shù)個(gè)詞或詞組，有時(shí)可能難以傳達(dá)出足夠的信息，所以為深入了解文獻(xiàn)，研究者開發(fā)了針對(duì)英文文本的算法來進(jìn)行名詞性術(shù)語(yǔ)提取(有時(shí)也被稱為主題挖掘)[7]。在VOSviewer和CiteSpace中均內(nèi)嵌了此功能，以在英文文獻(xiàn)的標(biāo)題、關(guān)鍵詞、摘要文本中提取具有代表性的名詞性短語(yǔ)。將數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入，繪制出術(shù)語(yǔ)(出現(xiàn)次數(shù)不少于250次)的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(見圖4)及突發(fā)性表(見表3)。

對(duì)比名詞性術(shù)語(yǔ)與關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與突發(fā)性狀況，首先，可以判斷此二者得到的知識(shí)基本結(jié)構(gòu)是類似的；其次，由篩選閾值容易發(fā)現(xiàn)提取出的名詞短語(yǔ)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于關(guān)鍵詞(包括作者關(guān)鍵詞加上WOS數(shù)據(jù)庫(kù)添加的擴(kuò)展關(guān)鍵詞)，而且這些術(shù)語(yǔ)中包含著比關(guān)鍵詞更豐富的細(xì)節(jié)信息。在早期圍繞工業(yè)應(yīng)用的耐火材料研究時(shí)期，提取出的代表性術(shù)語(yǔ)既有表征耐火材料供貨特征的“refractory product(耐火產(chǎn)品)”“refractory lining(耐火襯)”“refractory component(耐火部件)”等，也有反應(yīng)耐火材料應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)的“structural materials(結(jié)構(gòu)材料)”“high temperatures(高溫)”“molten steel(熔鋼)”等，以及反應(yīng)耐火材料材質(zhì)特征的“refractory oxides(耐火氧化物)”“basic refractories(堿性耐火材料)”“ceramic materials(陶瓷材料)”“periclase-carbon refractories(方鎂石-碳耐火材料)”等。到了接近現(xiàn)在的研究時(shí)期，術(shù)語(yǔ)探測(cè)的結(jié)果不僅印證了關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于新技術(shù)的應(yīng)用、研究的精細(xì)化與理論化的結(jié)論，還指出了添加劑的合成與應(yīng)用是關(guān)于耐火材料的一個(gè)較新研究方向，相關(guān)的術(shù)語(yǔ)有“synthesis(合成)”“addition(添加)”“titanium nitride(氮化鈦)”等。由以上分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用提取的名詞性術(shù)語(yǔ)相比于直接使用關(guān)鍵詞能夠有效加深對(duì)文獻(xiàn)的認(rèn)識(shí)深度，未來有望獲得更大的發(fā)展。

圖4 世界耐火材料研究的術(shù)語(yǔ)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Terms co-occurrence network of world refractory researches

表3 WOS期刊中典型耐火材料研究術(shù)語(yǔ)的突發(fā)強(qiáng)度及年份Table 3 Burstness and year of typical refractory research terms in WOS journals

2.3 世界耐火材料研究的共被引分析

對(duì)于WOS核心數(shù)據(jù)庫(kù)中的文獻(xiàn)，由于可以導(dǎo)出包含參考文獻(xiàn)在內(nèi)的較完整信息，因此可對(duì)其進(jìn)行更深入的分析，其中最具代表性的就是共被引分析。共被引分析是對(duì)文獻(xiàn)的各參考文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析的一種分析方法，它的優(yōu)勢(shì)在于可以將眾多作者對(duì)被引文獻(xiàn)之間的關(guān)系認(rèn)知?dú)w納起來，并以可視化的方法加以呈現(xiàn)，從而構(gòu)建橫跨多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，并有助于新知識(shí)的發(fā)現(xiàn)。導(dǎo)入信息后，用VOSviewer將期刊(被引次數(shù)不少于700次)的共被引網(wǎng)絡(luò)繪于圖5(節(jié)點(diǎn)大小表示被引次數(shù)，連線表示共被引強(qiáng)度，顏色深淺表示類別)，并用CiteSpace將文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)的最大子網(wǎng)絡(luò)繪于圖6(節(jié)點(diǎn)表示文獻(xiàn)，顏色深淺表示聚類)。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，世界耐火材料研究所引用的論文發(fā)表期刊可以容易地被分為4個(gè)類別，分別是以Science，Nature期刊為代表的基礎(chǔ)研究類期刊；以JournaloftheAmericanCeramicSociety，Ceramicsinternational，JournaloftheEuropeanCeramicSociety三大陶瓷期刊為代表的陶瓷方向?qū)嶋H應(yīng)用類期刊；以及介于前兩類之間的兼顧基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用的期刊類型，其代表是ActaMaterialia,JournalofAlloysandCompounds，MaterialsScienceandEngineeringA等；最后一類期刊是與耐火材料的重要應(yīng)用場(chǎng)景-鋼鐵冶煉有關(guān)的，代表有MetallurgicalandMaterialsTransactionsB，ISIJInternationalernational,IronmakingandSteelmaking等。這些期刊構(gòu)成的共被引網(wǎng)絡(luò)清晰地描繪出了本領(lǐng)域及相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)框架-由物理、化學(xué)理論基礎(chǔ)到陶瓷領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，最后到工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際試驗(yàn)。更難能可貴的是，這個(gè)知識(shí)構(gòu)架的形成并非由一位或少數(shù)幾位學(xué)者憑借經(jīng)驗(yàn)或者自身的閱讀體會(huì)對(duì)相關(guān)期刊做出的歸納，而是通過計(jì)算機(jī)歸納眾多作者的大量文獻(xiàn)而自動(dòng)生成的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，更具有客觀性，可以想見，在知識(shí)大爆炸的未來，該方法會(huì)得到更加廣闊的應(yīng)用。

圖5 世界耐火材料研究引用期刊的共被引網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Co-citation network of journals cited in world refractory researches

圖6為文獻(xiàn)的共被引網(wǎng)絡(luò)的最大子網(wǎng)絡(luò)(包含1 744篇文獻(xiàn))，使用CiteSpace軟件的譜聚類功能對(duì)各文獻(xiàn)進(jìn)行了自動(dòng)聚類(將強(qiáng)聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)分組在一起，并將弱聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)分配給不同的組，得到的包含不同節(jié)點(diǎn)的組也稱為聚類)，并在軟件輔助+人工監(jiān)督的條件下對(duì)聚類進(jìn)行了命名[8]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)耐火材料研究的文獻(xiàn)具有十七個(gè)較大聚類，分別是“carbon containing refractory(含碳耐火材料)”“refractory castable(耐火澆注料)”“microstructural evolution(微觀結(jié)構(gòu)演化)”“rotary kiln(回轉(zhuǎn)窯耐火材料)”“copper-making(銅冶金耐火材料)”“steel-making(鋼鐵冶金耐火材料)”“aluminate cement(鋁酸鹽水泥)”“boride(硼化物)”“thermal shock behavior(熱震行為)”“hydration resistance(抗水化性)”“cement-free refractory(無水泥耐火材料)”“spinel containing refractory(含尖晶石耐火材料)”“andalusite-based refractory(紅柱石基耐火材料)”“fracture behavior(斷裂行為)”“oxidation behavior(氧化行為)”“refractory and inclusion(耐火材料與夾雜物)”“nanoscaled additive(納米添加劑)”。雖然這些聚類的劃分在分類學(xué)的角度上未必合理(由于分類標(biāo)準(zhǔn)不一)，而且某些文獻(xiàn)往往可以歸屬于多個(gè)聚類(在聚類填充展示中可以發(fā)現(xiàn)某些聚類存在顯著的區(qū)域重疊)，但這些聚類名稱仍然可以代表耐火材料在不同角度上的研究重點(diǎn)。不僅如此，聚類重疊區(qū)域中的文獻(xiàn)還可以直觀地指示出此類研究的不同側(cè)重點(diǎn)，這點(diǎn)也優(yōu)于邊界清晰的傳統(tǒng)文獻(xiàn)分類法。

在文獻(xiàn)共被引的分析中，除了可以觀察網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)以了解領(lǐng)域的研究概況外，還可以探測(cè)出高突發(fā)被引的文獻(xiàn)(見表4)。由表4可以從引用次數(shù)的突發(fā)性增長(zhǎng)角度發(fā)現(xiàn)耐火材料研究領(lǐng)域的重要論文，如文獻(xiàn)[9]講述了耐火材料與玻璃/熔渣/大氣反應(yīng)在高溫下生成保護(hù)層的研究在20世紀(jì)的發(fā)展；文獻(xiàn)[10]研究了鋁酸鈣結(jié)合氧化鋁-尖晶石澆注料中原位尖晶石的形成；文獻(xiàn)[11]講述了含碳與不含碳的耐火材料在高溫下被侵蝕的機(jī)理；文獻(xiàn)[12]講述了含碳耐火材料的基本情況；文獻(xiàn)[13]研究了二氧化鈦和鋁添加對(duì)鎂碳耐火材料抗氧化性和力學(xué)性能的影響；文獻(xiàn)[14]介紹了耐火材料中的重要成員之一 ——莫來石；文獻(xiàn)[15]比較了鋁、硅、碳化硅、碳化硼作為鎂碳耐火材料抗氧化劑的作用效果；文獻(xiàn)[16]介紹了含尖晶石的氧化鋁基耐火澆注料；文獻(xiàn)[17]研究了納米鋁酸鎂尖晶石、氧化鋁納米片、碳納米管幾種納米添加劑對(duì)鋁碳耐火材料的抗熱震等性能的影響；文獻(xiàn)[18]研究了納米碳的使用對(duì)低碳鎂碳耐火材料性能的影響。對(duì)比這十篇文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[9，11-12，14，16]都是綜述，分別介紹了耐火材料的幾種重要成員以及耐火材料的侵蝕與保護(hù)機(jī)理；而在幾篇研究論文中，除文獻(xiàn)[10]是研究結(jié)構(gòu)的原位生成過程外，其他均是研究新基質(zhì)成分的引入對(duì)耐火材料性能的影響。通過對(duì)這幾篇論文的研讀，可以對(duì)本領(lǐng)域的研究主流形成整體認(rèn)識(shí)，如耐火材料的重要類別、耐火材料的損毀與保護(hù)、耐火材料的重要改進(jìn)方法等，也就是說通過這種方法可以在浩如煙海的文獻(xiàn)資料中迅速找出具有代表性的論文，從而了解領(lǐng)域的發(fā)展概況。

圖6 世界耐火材料研究的文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Co-citation network of world refractory research literatures

表4 WOS期刊中耐火材料研究的10篇代表性突發(fā)被引論文Table 4 10 representative papers on refractory research in WOS journals-high burstness

在文獻(xiàn)科學(xué)計(jì)量的指標(biāo)中，除了衡量時(shí)間重要性的突發(fā)強(qiáng)度(Burstness)外，還有衡量節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中重要性的指標(biāo)中介中心性(Betweeness Centrality，常寫作Centrality)，由于整體上耐火材料在現(xiàn)有領(lǐng)域的研究比較成熟，各聚類間聯(lián)系較多，所以文獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)的中介中心性均較低，此處不做舉例。而將前兩者復(fù)合起來可以構(gòu)造為測(cè)度節(jié)點(diǎn)新穎性的指標(biāo)Sigma(=(Centrality+1)Burstness)[8]。將CiteSpace統(tǒng)計(jì)出的高Sigma值論文列于表5。

在高Sigma值的十篇論文中，除去高突發(fā)性表中出現(xiàn)過的文獻(xiàn)[9,13,16]，文獻(xiàn)[19]研究了不同種類含尖晶石澆注料的抗堿渣能力；文獻(xiàn)[20]比較了不同種類尖晶石對(duì)澆注料性能的影響；文獻(xiàn)[21]介紹了難熔硼化物二硼化鋯和二硼化鉿的各項(xiàng)基本性能；文獻(xiàn)[22]研究了耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)其最大載荷與斷裂能的影響；文獻(xiàn)[23]研究了原位尖晶石的形成對(duì)鎂碳耐火材料顯微結(jié)構(gòu)與物相演變的影響；文獻(xiàn)[24]研究了碳化硼和硼化鎂的加入對(duì)鎂碳耐火材料性能的影響；文獻(xiàn)[25]研究了鎂砂粒度對(duì)原位生成尖晶石的耐火澆注料微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響。對(duì)比高Sigma值的十篇文獻(xiàn)，除文獻(xiàn)[9,16,21]是分別介紹耐火材料的自保護(hù)、含尖晶石澆注料和難熔硼化物的綜述外，文獻(xiàn)[19-20,23,25]均是與含尖晶石耐火材料相關(guān)的研究論文，文獻(xiàn)[13,24]研究了添加劑對(duì)耐火材料性能的影響，而文獻(xiàn)[22]則研究了顯微結(jié)構(gòu)耐火材料斷裂行為的影響。由此可見，耐火材料研究領(lǐng)域中，以往的高新穎性(Sigma值)論文的主題主要集中在對(duì)含尖晶石耐火材料及添加劑的研究上，因此將來的創(chuàng)新也可從這兩個(gè)方向入手，或者在吸收前人文獻(xiàn)精華的基礎(chǔ)上開創(chuàng)新的研究方向。另外，不難發(fā)現(xiàn)高Sigma值論文的研究主題與前文分析中的文獻(xiàn)聚類名稱可在較大程度上匹配，這就既說明了聚類命名的合理性，又證實(shí)了該方法選擇文獻(xiàn)的代表性。

表5 WOS期刊中耐火材料研究的10篇代表性高Sigma值論文Table 5 10 representative papers on refractory research in WOS journals-high Sigma

3 含碳耐火材料的研究熱點(diǎn)及未來趨勢(shì)

在前文中，不難發(fā)現(xiàn)由于分析領(lǐng)域的時(shí)間跨度大而范圍廣，所得到的代表性知識(shí)單元(特別是文獻(xiàn))均屬于較早期的研究，且主題也較分散，對(duì)于目前最新的研究熱點(diǎn)及未來發(fā)展方向的指示作用較小。為解決這個(gè)問題，需要選取具有更明確主題的新文獻(xiàn)進(jìn)行分析。結(jié)合上節(jié)結(jié)果，選取Web of Science(WOS)核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)來源，以“refractory(主題)and carbon(主題)not alloy(主題)not entropy(主題)”進(jìn)行檢索，文章類型選擇“論文”或“綜述論文”，文章領(lǐng)域選擇“Materials Science Ceramics or Materials Science Multidisciplinary or Metallurgy Metallurgical Engineering”，共得文獻(xiàn)768篇，時(shí)間跨度為2012—2022年(檢索時(shí)間2022年5月27日)。

3.1 世界含碳耐火材料研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

為了從整體上了解含碳耐火材料的近期發(fā)展?fàn)顩r，在VOSviewer中導(dǎo)入相關(guān)文獻(xiàn)信息，將關(guān)鍵詞(出現(xiàn)次數(shù)不少于20次)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)繪于圖7(節(jié)點(diǎn)大小代表出現(xiàn)次數(shù)，顏色深淺代表平均出現(xiàn)時(shí)間，連線寬度代表共同出現(xiàn)的強(qiáng)度)，并使用CiteSpace探測(cè)出突發(fā)關(guān)鍵詞列入表6。

結(jié)合圖7和表6，不難發(fā)現(xiàn)含碳耐火材料中最主要的材料體系有兩種-鎂碳耐火材料(MgO-C refractory)和鋁碳耐火材料(Al2O3-C refractory)；關(guān)心的主要性能有四種，分別為機(jī)械性能(mechanical properties)、抗熱震性能(thermal shock resistance)、抗侵蝕性(corrosion)和抗氧化性(oxidation resistance)；而對(duì)于不同的研究主要的側(cè)重點(diǎn)有三類，分別是注重效果的“性能”(performance)、注重過程的“行為”(behavior)以及注重基本規(guī)律的“機(jī)理”(mechanism)。從關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(見圖7)還可發(fā)現(xiàn)，在含碳耐火材料的研究中，機(jī)械性能受到了最多關(guān)注，這是因?yàn)槠洳粌H與其他性能有著直接或間接的聯(lián)系，與材料的微觀結(jié)構(gòu)(microstructures)、原料特征(如石墨“graphite”、石墨烯“graphene”、碳納米管“carbon nanotubes”、納米碳“nanocarbon”等)、原位相的生成(如“Al”“silicon”“whiskers”等關(guān)鍵詞)等也有著緊密的聯(lián)系。而從表6中則可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在近幾年含碳耐火材料的抗侵蝕性(corrosion)也開始吸引學(xué)者們更多的注意，較主流的做法是使用涂層(coating)等方法對(duì)耐火材料的碳源等原料進(jìn)行表面(surface)處理，對(duì)其起到一定保護(hù)作用，從而提高材料的抗侵蝕性；不僅如此，由于技術(shù)手段的不斷發(fā)展，科學(xué)研究也愈加細(xì)致，對(duì)于表/界面(surface)反應(yīng)的相關(guān)研究也得到了進(jìn)一步深入。

圖7 世界含碳耐火材料研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Keywords co-occurrence network of world carbon containing refractory researches

表6 WOS期刊中典型耐火材料研究關(guān)鍵詞的突發(fā)強(qiáng)度及年份Table 6 Burstness and year of typical carbon containing refractory research keywords in WOS Journals

3.2 世界含碳耐火材料研究的文獻(xiàn)共被引分析

為進(jìn)一步了解含碳耐火材料的詳細(xì)研究現(xiàn)狀，需要進(jìn)行共被引分析，而在文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)分析中，最基本的知識(shí)單元或者說最直接的信息來源就是文獻(xiàn)，因此用CiteSpace將文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)的最大子網(wǎng)絡(luò)繪于圖8(節(jié)點(diǎn)表示文獻(xiàn)，其顏色深淺表示聚類)。

在圖8中使用CiteSpace軟件對(duì)含碳耐火材料文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)的最大子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了自動(dòng)聚類，并在人工監(jiān)督下對(duì)聚類進(jìn)行了命名。從圖中可以發(fā)現(xiàn)含碳耐火材料研究的文獻(xiàn)具有十七個(gè)較大聚類，分別是“mechanical properties(機(jī)械性能)”“aluminate cement(鋁酸鹽水泥)”“SiC whiskers(碳化硅晶須)”“firing temperature(煅燒溫度)”“oxidation behavior(氧化行為)”“in-situ synthesis(原位合成)”“MgO-C refractory(鎂碳耐火材料)”“Al2O3-C refractory(鋁碳耐火材料)”“microstructure(微觀結(jié)構(gòu))”“flash ironmaking condition(閃速煉鐵條件)”“catalytic graphitization(催化石墨化)”“treated graphite(預(yù)處理石墨)”“carbon-bonded alumina foam filter(碳結(jié)合氧化鋁泡沫過濾器)”“thermal shock resistance(抗熱震性)”“nanoscaled additive(納米添加劑)”“micropore carbon material(微孔碳材料)”“corrosion resistance(抗侵蝕性)”。這些聚類命名都在不同程度上反映了含碳耐火材料的重點(diǎn)研究方向，與耐火材料領(lǐng)域中整體突出的研究方向相比，本細(xì)分領(lǐng)域中既有與其相同的方向，如“抗熱震性”與“納米添加劑”等；也有自己的特色研究方向，如“碳化硅晶須”“鎂碳耐火材料”“鋁碳耐火材料”“催化石墨化”“預(yù)處理石墨”“碳結(jié)合氧化鋁泡沫過濾器”“微孔碳材料”等。正如研究具體材料時(shí)可以在不同的結(jié)構(gòu)尺度上得到不同卻又有聯(lián)系的諸多信息，以上結(jié)果說明了在知識(shí)圖譜的不同層次視野下也能發(fā)現(xiàn)不盡相同的各種信息(即不同層次領(lǐng)域內(nèi)的一般與特殊研究)，因此在使用此類工具時(shí)應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的研究層次，落實(shí)到具體操作上，就是要選擇合適的檢索條件。

圖8 世界耐火材料研究的文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Co-citation network of world carbon containing refractory research literature

在文獻(xiàn)共被引的網(wǎng)絡(luò)中除了可以分析網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)外，還可從高突發(fā)被引的文獻(xiàn)(見表7)中發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域中的重要論文，如文獻(xiàn)[26]研究了二氧化鈦添加對(duì)耐火材料抗熱震性的提高；文獻(xiàn)[27]研究了多層石墨烯的添加對(duì)氮化硅基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響；文獻(xiàn)[28]研究了含鋁、硅、碳化硼的鎂碳耐火材料在高溫下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)及由此形成的微觀結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[29]研究了鱗片石墨和炭黑分別作為碳源對(duì)原位生成碳化硅形貌和鋁碳耐火材料力學(xué)性能的影響；文獻(xiàn)[30]提出了脆性陶瓷在熱沖擊下裂紋擴(kuò)展的斷裂力學(xué)理論；文獻(xiàn)[31]研究了不同含量的原位多層石墨烯/尖晶石復(fù)合粉末對(duì)低碳鎂碳耐火材料抗渣性、熱震性和抗氧化性的影響；文獻(xiàn)[32]在膨脹石墨表面原位生長(zhǎng)了碳化硅等晶須，并研究了其在鋁碳耐火材料中的應(yīng)用效果；文獻(xiàn)[33]合成了單相Al4O4C，并研究了其添加對(duì)鎂碳耐火材料抗氧化性能的影響；另外，文獻(xiàn)[13]與文獻(xiàn)[17]在整個(gè)耐火材料研究領(lǐng)域中均有較高的突發(fā)被引，因而在上文中已描述過。

表7 WOS期刊中含碳耐火材料研究的10篇代表性突發(fā)被引論文Table 7 10 representative papers on refractory research in WOS journals-high burstness

這十篇文獻(xiàn)中有七篇研究添加劑的引入對(duì)材料性能的影響，余下的三篇中，文獻(xiàn)[29，32]研究了不同碳源對(duì)材料性能的影響，文獻(xiàn)[30]則是關(guān)于耐火材料抗熱震性的經(jīng)典理論論文。不難發(fā)現(xiàn)，在含碳耐火材料的研究中，從工藝手段上來說，添加劑的研究是目前最主要的熱點(diǎn)，而碳源的選擇與改性也是研究熱點(diǎn)之一；而從研究的側(cè)重點(diǎn)來說，對(duì)材料的抗熱震性等性能和微觀結(jié)構(gòu)的分析目前受到了廣泛的關(guān)注。通過對(duì)這幾篇論文的研讀，可以對(duì)本領(lǐng)域的研究趨勢(shì)形成整體認(rèn)識(shí)，如含碳耐火材料的主流改進(jìn)方法、對(duì)含碳耐火材料的主要關(guān)注方面等，通過這種細(xì)分的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)分析方法可以輔助相關(guān)研究者選擇研究方向與重點(diǎn)，把握最新的研究趨勢(shì)，緊跟研究熱點(diǎn)，以含碳耐火材料為例，從添加劑或者碳源的角度進(jìn)行研究規(guī)劃，并在研究中注重材料的抗熱震性及微觀結(jié)構(gòu)分析是比較符合目前主流趨勢(shì)的。

上文提及了衡量節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中重要性的指標(biāo)——中介中心性(Centrality)，一般認(rèn)為中介中心性大于0.1的節(jié)點(diǎn)屬于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(又稱轉(zhuǎn)折點(diǎn))，是連接不同聚類間的重要節(jié)點(diǎn)(如聚類18的兩端節(jié)點(diǎn))，它們將網(wǎng)絡(luò)中原本沒有顯性關(guān)系的聚類連接到了一起，因此常被認(rèn)為與創(chuàng)新有關(guān)。將檢索文獻(xiàn)中高中介中心性被引論文列于表8。

表8 WOS期刊中含碳耐火材料研究的代表性高中介中心性被引論文Table 8 Representative papers on refractory research in WOS journals-high centrality

在這七篇論文中，文獻(xiàn)[34]研究了強(qiáng)制對(duì)流條件下渣中氧化鎂耐火材料的損毀；文獻(xiàn)[35]研究了鎂碳耐火材料與渣的反應(yīng)侵蝕機(jī)理與動(dòng)力學(xué)；文獻(xiàn)[36]研究了Al2O3-SiC-SiO2-C耐火材料原位化學(xué)反應(yīng)及其與渣的相互作用；文獻(xiàn)[37]研究了氧化錳對(duì)高鋁渣黏度及渣中耐火材料侵蝕行為的影響；文獻(xiàn)[38]研究了耐火材料與鋼液的反應(yīng)機(jī)理；文獻(xiàn)[39]研究了鋁碳浸入式水口與鋼的反應(yīng)速率。不難發(fā)現(xiàn)，高中介中心性的文獻(xiàn)主要集中于鋼/渣與耐火材料相互作用的研究方向。這是由于在冶金中通常需要耐火材料來盛裝高溫的液態(tài)熔體，而冶金過程還常會(huì)帶來各種成分不同的渣，因此在一方面，耐火材料會(huì)受到高溫熔體的機(jī)械沖刷和熔渣的化學(xué)侵蝕，從而受到破壞；而在另一方面，冶煉的高溫熔體及其附帶的熔渣由于與耐火材料的反應(yīng)，會(huì)改變自身原有的成分，會(huì)造成熔體增碳、增加夾雜等后果。也就是說，借由冶煉熔體(如鋼鐵熔體等)及其熔渣與耐火材料反應(yīng)的研究，將原本在研究上界限較分明的冶金學(xué)領(lǐng)域與耐火材料學(xué)領(lǐng)域聯(lián)系到了一起，起到了知識(shí)橋梁的作用，不僅有助于更加全面地了解實(shí)際狀況中的科學(xué)問題，也提供了跨領(lǐng)域的視角，有助于學(xué)術(shù)創(chuàng)新。

除突發(fā)性與中介中心性外，兩者的復(fù)合-測(cè)度節(jié)點(diǎn)新穎性的指標(biāo)Sigma也有一定參考價(jià)值，將CiteSpace統(tǒng)計(jì)出的高Sigma值論文列于表9。

表9 WOS期刊中含碳耐火材料研究的代表性高Sigma值被引論文Table 9 Representative papers on refractory research in WOS journals-high sigma

在高Sigma值的論文中，除去前文出現(xiàn)過的文獻(xiàn)[13，29，33]，文獻(xiàn)[40]研究了溫度對(duì)高爐用碳質(zhì)耐火材料性能和顯微結(jié)構(gòu)的影響；文獻(xiàn)[41]研究了添加多壁碳納米管的鋁碳耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能；文獻(xiàn)[42]研究了鱗片石墨上碳化硅納米線的合成與表征；文獻(xiàn)[43]研究了納米炭黑對(duì)低碳鎂碳復(fù)合材料性能的影響；文獻(xiàn)[44]研究了添加劑對(duì)鎂碳耐火材料耐蝕性和侵蝕微觀結(jié)構(gòu)的影響；文獻(xiàn)[45]研究了含膨脹石墨鎂碳耐火材料的組織與力學(xué)性能。在這九篇文獻(xiàn)中，文獻(xiàn)[29，41-43，45]是與碳源有關(guān)的，文獻(xiàn)[13，33，44]是與添加劑有關(guān)的，文獻(xiàn)[40]是與熱處理溫度有關(guān)的。由此可見，在本細(xì)分領(lǐng)域中，以往的高新穎性論文的主題主要集中在碳源、添加劑和熱處理溫度上，與高突發(fā)引用論文的主題分布進(jìn)行對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，這兩類代表性論文的主題分布領(lǐng)域近似，但側(cè)重點(diǎn)各有不同。因此，研究者使用知識(shí)圖譜方法輔助確定創(chuàng)新性研究的方向和重點(diǎn)時(shí)，可以根據(jù)自己的具體需要綜合參考這兩類論文的主題，或者從跨領(lǐng)域的角度參照高中介中心性論文的主題。

4 展 望

耐火材料是高溫工業(yè)的基石，隨著時(shí)代的發(fā)展，相關(guān)研究已經(jīng)有了迅猛增長(zhǎng)，且還會(huì)繼續(xù)不斷積累。對(duì)于未來耐火材料研究的發(fā)展及其輔助工具，有如下的預(yù)期：

(1)就耐火材料研究領(lǐng)域整體而言，未來的趨勢(shì)仍將是企業(yè)的發(fā)展需求進(jìn)一步推動(dòng)高校等科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，并促進(jìn)研究的體系化和精細(xì)化。不僅如此，未來的研究會(huì)更加注重耐火材料在高溫下的結(jié)構(gòu)、物相、性能演變過程及相關(guān)機(jī)理，以及在實(shí)際工況中耐火材料與高溫熔體兩體系間的相互作用等；而高溫工業(yè)的綠色發(fā)展趨勢(shì)還使具有節(jié)能作用的輕質(zhì)隔熱耐火材料體系有著廣闊的研究與應(yīng)用前景。

(2)就具體的細(xì)分研究領(lǐng)域而言，以含碳耐火材料為例，未來一段時(shí)間內(nèi)，相關(guān)的論文創(chuàng)新應(yīng)該還是主要落腳于碳源和添加劑(特別是納米尺度的)的選擇、合成、改性與應(yīng)用等角度，且研究的關(guān)注重點(diǎn)應(yīng)該主要集中在材料的抗侵蝕性、抗熱震性、機(jī)械性能或抗氧化性能等典型性能與微觀結(jié)構(gòu)的變化。

(3)知識(shí)圖譜方法不僅可以提煉出研究領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)、研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)，而且在跨學(xué)科創(chuàng)新上有著巨大的應(yīng)用潛力，隨著知識(shí)的爆炸性增長(zhǎng)，該方法有望在耐火材料領(lǐng)域乃至整個(gè)自然科學(xué)領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用；而在更遙遠(yuǎn)的將來，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)算法等的不斷發(fā)展與應(yīng)用，還可能使用本方法來預(yù)測(cè)潛在的研究熱點(diǎn)與方向。