莫來石復合耐火材料的應用進展

張 巍 王京陽

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心 遼寧沈陽 110016

莫來石是Al2O3-SiO2體系中唯一穩(wěn)定的二元化合物，具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、抗侵蝕性好、抗熱震性好、熔點（1 870℃）高、硬度（莫氏硬度6～7）大等優(yōu)異性能［1］。莫來石多是通過燒結(jié)法和電熔法人工合成。按照Al2O3含量的高低，燒結(jié)莫來石可分為M75、M70、M60、M45等4個牌號［2］，電熔莫來石可分為M75和M70兩個牌號［3］。采用燒結(jié)莫來石和電熔莫來石制備的耐火材料各具特點：燒結(jié)莫來石的晶粒更加細小，故用其制備的莫來石磚具有更高的強度，1 400℃時的高溫抗折強度比用電熔莫來石生產(chǎn)的莫來石磚高1倍以上；電熔莫來石具有更佳的高溫體積穩(wěn)定性，故以其制備的耐火材料在高溫下長期使用不易變形，且表現(xiàn)出較好的抗熱震性［4］。

基于以上優(yōu)點，以莫來石為原料制備的莫來石復合耐火材料作為各種窯爐的內(nèi)襯和高溫窯具，被廣泛應用于冶金、陶瓷、水泥、玻璃、石化、電力等領(lǐng)域［5］。除了上述傳統(tǒng)應用領(lǐng)域外，近年來，以莫來石為主要原料制備的材料已逐步應用于航天和軍工領(lǐng)域。為此，在本文中綜述了莫來石在冶金、陶瓷、航天、軍工等領(lǐng)域的應用進展。

1 在陶瓷行業(yè)中的應用

窯具（匣缽、棚板、推板等）是在工業(yè)窯爐中在焙燒過程中對焙燒坯件起間隔、支托、承墊、保護等作用的器具。傳統(tǒng)的陶瓷制品（建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、先進陶瓷）的燒成所使用的窯具，因在承載條件下經(jīng)受從室溫到燒成溫度的多次循環(huán)，需具有良好的力學性能和抗熱震性；新能源領(lǐng)域的鋰電池正極材料的燒成所使用的窯具，除具有優(yōu)良的力學性能和抗熱震性，還應具有優(yōu)異的抗侵蝕性能。高性能窯具的研制對燒成優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品具有重要意義。由于電熔莫來石具有良好的抗熱震性，因此高純電熔莫來石是制備高品質(zhì)窯具的最佳原料［4］。

1.1 莫來石-剛玉窯具

莫來石-剛玉耐火材料是目前窯具的主流材料之一，具有良好的高溫強度、抗熱震性和化學穩(wěn)定性，特別適用于承燒軟磁體（鐵氧體）材料和電絕緣陶瓷。陳桂華等［6］以M75電熔莫來石和電熔剛玉為骨料，以鋁膠、α-Al2O3微粉和SiO2微粉為結(jié)合基質(zhì)，制備出抗熱震性良好的莫來石-剛玉高溫推板，經(jīng)2次熱震（1 100℃，水冷）后的抗折強度保持率為78%，經(jīng)23次熱震后未發(fā)生斷裂。侯曉靜等［7］以板狀剛玉顆粒、細粉和電熔莫來石顆粒為主要原料制備出抗熱震性優(yōu)異的剛玉-莫來石窯具，經(jīng)3次熱震（1 100℃，空冷）后的常溫抗折強度保持率可達100%，同時，該材料具有較高的高溫抗折強度（1 400℃時為22.8 MPa）。壽科迪等［8］發(fā)現(xiàn)在以板狀剛玉和電熔莫來石為主要原料制備的剛玉-莫來石耐火材料中引入鋯英石，可進一步提高剛玉-莫來石窯具的抗熱震性，抗熱震性提高的機制為：鋯英石在燒成過程中分解為ZrO2和SiO2，一方面SiO2從ZrO2聚集體向外遷移，在SiO2的位置上產(chǎn)生了封閉氣孔；另一方面，ZrO2聚集體與周圍莫來石基體由于熱失配而產(chǎn)生的環(huán)狀微裂紋能夠分散熱震循環(huán)時產(chǎn)生的應力。

在莫來石原料方面，張永晨等［9］通過對比分別以相同加入量的微晶莫來石和普通電熔莫來石為原料制備的莫來石-剛玉推板性能，發(fā)現(xiàn)2種推板的耐壓強度相似，但在抗熱震性方面，以微晶莫來石為原料制備的推板的熱震次數(shù)比以普通電熔莫來石為原料制備的推板的高20%，這是由于電熔微晶莫來石的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)有利于吸收熱應力，提高抗熱震性。

1.2 莫來石-堇青石窯具

堇青石的熱膨脹系數(shù)較低（室溫至1 000℃，2.5×10-6℃-1），具有優(yōu)異的抗熱震性。堇青石的熱膨脹系數(shù)小于莫來石的，由于二者的熱膨脹系數(shù)不匹配，使得在兩相界面處易形成微細裂紋，從而有利于提高莫來石-堇青石材料的抗熱震性［10］。棚板作為支撐瓷件的專用窯具，材質(zhì)多為堇青石-莫來石復合材料。方斌祥等［11］以M60莫來石和堇青石為主要原料，以糊精為結(jié)合劑，制備出一種高強度堇青石-莫來石棚板，在1 200℃時的高溫抗折強度可高達17.7 MPa，因為材料的骨架由莫來石和堇青石骨料組成，兩者由莫來石、堇青石和低鋁高硅氧玻璃相組成的“連接橋”牢固連接，這種結(jié)構(gòu)有利于提高材料的高溫力學性能。雖然莫來石-堇青石耐火材料具有良好的性能，且對瓷件低污染，但堇青石熔點較低，通常其制品的最高使用溫度＜1 350℃［12］。

隨著新能源汽車、電子移動設(shè)備和儲能領(lǐng)域等的發(fā)展，鋰電池的需求日益增加，其正極材料燒成用的窯具也日趨受到關(guān)注。目前，常用的鋰電池正極材料有LiCO3、LiOH和LiCoO2等堿性材料，對其燒成用的匣缽具有一定的侵蝕性，加之冷熱循環(huán)的制備過程，與普通陶瓷燒成用窯具相比，對鋰電池正極材料燒成用窯具在化學穩(wěn)定性和抗熱震性方面提出了更高的要求［13］。莫來石具有較強的抗Li＋和Co3＋離子腐蝕的能力，適合作為鋰電池正極材料燒成用窯具的原料。Zhai等［14］通過研究電池正極材料對莫來石質(zhì)匣缽的侵蝕機制發(fā)現(xiàn)，Li2O與莫來石反應生成的反應產(chǎn)物LiAlSiO4和LiAlSi2O6與匣缽材料之間的熱膨脹失配導致微裂紋產(chǎn)生，從而使匣缽表面剝落而損毀。說明單相莫來石質(zhì)匣缽的抗侵蝕性并不理想。為改善鋰電池正極材料燒成用單相莫來石質(zhì)匣缽的性能，單峙霖等［15］以M70莫來石和堇青石為骨料制備莫來石-堇青石匣缽材料，發(fā)現(xiàn)材料在侵蝕過程中形成了一層能抵抗正極材料侵蝕的反應保護層，其具有良好的抗Li＋和Co3＋離子侵蝕的能力。解華婧等［16］研究了以堿式碳酸鈷和碳酸鋰為原料合成正極材料LiCoO2對莫來石-堇青石質(zhì)匣缽的侵蝕機制，指出Li2CO3分解產(chǎn)生的LiO2能夠與莫來石和堇青石反應生成LiAlO2、β-LiAlSiO4和Li4SiO4，侵蝕反應產(chǎn)生的體積變化和原始物相與反應產(chǎn)物的熱膨脹失配使材料內(nèi)部產(chǎn)生橫向微裂紋且表面出現(xiàn)剝落。但隨著侵蝕反應的進行，莫來石和堇青石顆粒與基質(zhì)熔融為一體，滲透層較侵蝕前更為致密，阻礙了LiO2進一步擴散，匣缽因此具有較強的抗侵蝕性。陳洋等［17］以電熔莫來石和堇青石為主要原料，制備出在800℃具有良好抗Li2（Ni0.8Co0.1Mn0.1）Ox侵蝕，且經(jīng)5次熱震（1 100℃，水冷）后的常溫抗折強度為3.0～4.5 MPa的堇青石-莫來石質(zhì)匣缽。陳寧等［18-19］以莫來石和堇青石為主要原料制備出一種特別適用于鋰離子電池正極材料燒成用的莫來石-堇青石窯具，其常溫抗折強度和耐壓強度分別達到9.5和58.8 MPa，1 100℃時的高溫抗折強度為11.4 MPa。趙孟喜等［20］以低成本M60莫來石和堇青石為原料，以蠟混合劑為結(jié)合劑，通過熱壓注模成型法制備出適用于鋰電池燒成用莫來石-堇青石匣缽。

在莫來石-堇青石材料體系中，引入鎂鋁尖晶石或鈦酸鋁可進一步提升材料的性能。Zhai等［21］指出鎂鋁尖晶石與電池材料的反應最輕，具有更佳的抗鋰侵蝕性。因此，莫來石-堇青石-鎂鋁尖晶石材料體系具有更佳的抗侵蝕性［22］。劉鵬程等［23］以M70莫來石、堇青石和電熔鎂鋁尖晶石為主要原料制備出具有良好力學性能的莫來石-堇青石-鎂鋁尖晶石匣缽。徐海森［24］以M70莫來石為骨料，通過原位合成堇青石和尖晶石，制備出一種具有抗鈷酸鋰侵蝕和抗熱震性良好的莫來石-堇青石-尖晶石匣缽材料。趙英娜等［25］發(fā)現(xiàn)在莫來石-堇青石耐火材料中引入鈦酸鋁可提高材料的抗熱震性，經(jīng)5次熱震（1 100℃，水冷）后材料的常溫抗折強度達9.4 MPa。

1.3 莫來石-鈦酸鋁窯具

與堇青石相比，鈦酸鋁具有更低的熱膨脹系數(shù)（室溫至1 000℃，1.5×10-6℃-1）和更高的熔點，是目前低膨脹材料中耐高溫性能最好的一種材料［26］。當莫來石和鈦酸鋁配合使用時，可獲得抗熱震性好和使用溫度高的莫來石-鈦酸鋁窯具。Huang等［27］研究表明，在鈦酸鋁基體中摻入莫來石能提高鈦酸鋁的晶格穩(wěn)定性，進而阻止鈦酸鋁的分解。Kim等［28］發(fā)現(xiàn)鈦酸鋁材料中存在莫來石時，鈦酸鋁不易分解，其穩(wěn)定性可達80%。

為解決鈦酸鋁作為高溫窯具材料強度較低的問題，尹洪峰等［29］等以M60莫來石、工業(yè)氧化鋁、氧化鈦和蘇州土等為原料，原位合成了具有良好的抗熱震性和較高的高溫抗折強度（1 400℃，11.4 MPa）的莫來石-鈦酸鋁窯具，適合作為硬磁材料的燒成窯具。任耘等［30］以M60莫來石、鈦白粉、工業(yè)氧化鋁、蘇州土等為原料，原位合成了使用溫度低于1 400℃、產(chǎn)品承重≤8 kg的莫來石-鈦酸鋁窯具。由于莫來石和鈦酸鋁的熱膨脹系數(shù)不匹配，材料內(nèi)部形成的微裂紋能夠減緩熱震環(huán)境下所受的應力集中，降低材料中導致熱震斷裂的彈性應變能，因此提高了材料的抗熱震性。該莫來石-鈦酸鋁窯具可部分取代價格較高的莫來石-剛玉窯具作為軟磁材料燒成用承燒板，同時在低溫段（≤1 250℃）也可取代莫來石-堇青石窯具用于日用瓷、建筑瓷、衛(wèi)生瓷和美術(shù)瓷的燒成。

1.4 莫來石-碳化硅窯具

碳化硅具有強度高、熱導率大、耐磨損、抗化學腐蝕等性能［31］，因此碳化硅質(zhì)窯具具有優(yōu)異的抗熱震性，較高的耐磨性及常溫、高溫強度。但碳化硅在1 300℃以上氧化較為顯著，因而碳化硅質(zhì)推板的應用溫度受到限制。為改善碳化硅質(zhì)窯具的抗氧化性能，石錦雄等［32］以碳化硅、M70燒結(jié)莫來石和SiO2微粉為原料，制備了碳化硅-莫來石質(zhì)窯具。隨莫來石加入量由5%（w）增加到25%（w），經(jīng)1 300℃在空氣中煅燒后，窯具的抗氧化性和抗熱震性改善。

2 在冶金工業(yè)中的應用

以莫來石為主要原料制備的莫來石磚，具有熱膨脹系數(shù)小、蠕變率低、高溫強度高、抗熱震性好和抗化學侵蝕性強等特點，可用于鼓風爐、連鑄、熱風爐的拱頂和燃燒室的中上部等，還可作為陶瓷燃燒器用磚。含有莫來石的不定形耐火材料也具有良好的抗熱震性和力學性能等，被用于高爐、鋼包永久襯、中間包、點火保溫爐、鐵水脫硫噴槍等［33］。

2.1 莫來石-剛玉耐火材料

莫來石-剛玉磚具有高密度、低孔隙率、高強度和良好的抗鐵水、爐渣侵蝕性等性能，是高爐陶瓷襯墊、爐墻、風口、爐底的理想耐火材料［34］。莫來石-剛玉澆注料可用作高爐熱風爐和加熱爐等內(nèi)襯材料。

莫來石原料對莫來石-剛玉耐火材料具有重要影響。和弦等［35］發(fā)現(xiàn)，莫來石原料的純度影響著莫來石-剛玉耐火磚的性能，以高純燒結(jié)莫來石為原料制備的剛玉-莫來石磚具有優(yōu)良的抗堿蒸氣和抗CO侵蝕能力，適合在熱風爐等高溫還原氣氛的工況下使用。張永晨等［9］指出，與以電熔莫來石為骨料制備的莫來石-剛玉澆注料相比，以微晶莫來石為骨料制備的莫來石-剛玉澆注料具有更高的常溫耐壓強度、常溫抗折強度、高溫抗折強度，以及更佳的抗熱震性。

由莫來石和剛玉為主要原料制備的澆注料，一方面澆注料內(nèi)部的莫來石網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有利于提高材料的抗熱震性；另一方面由于莫來石和剛玉相差較大的熱膨脹系數(shù)而產(chǎn)生的微裂紋不僅能吸收材料的彈性應變能，降低驅(qū)動主裂紋擴展的能量，而且還能分散和偏轉(zhuǎn)主裂紋，從而提高澆注料的抗熱震性。李志剛等［36］研究發(fā)現(xiàn)，在硅溶膠結(jié)合剛玉澆注料中引入25%（w）的M75電熔莫來石，能夠降低其彈性模量；同時，加入的莫來石借助高溫液相的傳質(zhì)彼此相連，形成莫來石網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，增強澆注料的強度。蔡瑋等［37］以板狀剛玉和M70燒結(jié)莫來石為主要原料，以CA80水泥為結(jié)合劑，開發(fā)出抗熱震性優(yōu)良的轉(zhuǎn)爐無水副槍用剛玉-莫來石澆注料，經(jīng)3次熱震（1 100℃，水冷）后的抗折強度保持率為48%。李洪波等［38］以M45燒結(jié)莫來石、M70電熔莫來石和剛玉為主要原料，以純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，制備出脫硫噴槍用莫來石-剛玉澆注料。秦振敏等［39］以M70莫來石、剛玉粉、α-Al2O3微粉、SiO2微粉等為主要原料，以純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，研制出一種不需振動即能自行流動、脫氣和攤平的莫來石-剛玉自流澆注料。將研制的自流澆注料應用于蓄熱式加熱爐（蓄熱式上部爐墻、壓火梁和端墻下部），施工速度比振動澆注料提高了1～2倍，且施工時無噪音。材料使用8個月后無開裂剝落現(xiàn)象，噴火孔整體性完好。

為解決水泥結(jié)合莫來石-剛玉澆注料在窯爐內(nèi)襯使用中存在的固化后養(yǎng)護（2～3 d）及烘爐（7 d）時間長、烘爐中易造成爐襯爆裂等問題，采用硅溶膠為結(jié)合劑。熊繼全等［40］以M60莫來石和電熔板狀剛玉為主要原料，以硅溶膠為結(jié)合劑，研制出硅溶膠結(jié)合莫來石-剛玉澆注料，將其應用于武鋼煉鐵廠的高爐風口及武鋼燒結(jié)廠點火爐的爐頂及側(cè)墻，該澆注料可實現(xiàn)0.5 d拆模，1 d烘爐。彭云濤等［41］以莫來石、剛玉、α-Al2O3微粉等為原料制備出一種點火爐用硅溶膠結(jié)合莫來石-剛玉澆注料，將其應用于武漢鋼鐵集團燒結(jié)廠點火爐，該澆注料一次性施工厚度最大為650 mm，解決了水泥結(jié)合莫來石-剛玉澆注料因防止烘烤中爆裂而設(shè)置施工厚度300 mm的局限，因此提高了施工效率，同時縮短了點火爐改造時間。謝大勇等［42］以剛玉和M60莫來石為主要原料，以硅溶膠為結(jié)合劑，研制出一種高爐熱態(tài)修補用剛玉-莫來石快干澆注料，該澆注料修補了武鋼高爐風口和燒結(jié)廠點火爐爐頂、側(cè)墻以及新余鋼廠高爐熱風總管三岔口工作襯。為了修復石灰回轉(zhuǎn)窯的耐火內(nèi)襯，李少華等［43］以剛玉和莫來石為主要原料，開發(fā)出一種體積穩(wěn)定性和抗熱震性良好的硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來石澆注料，在石灰回轉(zhuǎn)窯使用1 a后筒體修補部位狀態(tài)良好，表面溫度低于100℃，延長了回轉(zhuǎn)窯的使用壽命。

為了避免水泥結(jié)合劑引入的CaO在高溫下形成低熔點物及CaO對莫來石產(chǎn)生分解作用而造成的材料性能降低等問題，ρ-Al2O3結(jié)合劑也常被用來制備具有高溫性能的莫來石-剛玉澆注料。王德軍等［44］以M70莫來石和板狀剛玉為主要原料，以ρ-Al2O3替代鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，制備出中間包包蓋用ρ-Al2O3結(jié)合莫來石-剛玉澆注料。與鋁酸鈣水泥結(jié)合中間包包蓋相比，ρ-Al2O3結(jié)合的中間包包蓋使用后裂紋、剝落較少，使用壽命提高50%以上。王義龍等［45］以M60莫來石顆粒和棕剛玉細粉為主要原料，以ρ-Al2O3為結(jié)合劑，制備出1 400℃時高溫抗折強度為9.8 MPa的莫來石-剛玉澆注料。李洪波等［46］以M45燒結(jié)莫來石、M70電熔莫來石和剛玉為主要原料，ρ-Al2O3為結(jié)合劑，制備出具有良好抗渣性的脫硫噴槍用莫來石-剛玉澆注料。

此外，在莫來石和剛玉的基礎(chǔ)原料上，再引入其他耐火原料，可以進一步提升莫來石-剛玉耐火材料的性能。以電熔莫來石、電熔剛玉和氧化鋁為原料制備的鋼包底吹透氣磚具有良好的抗熱震性，但抗渣性較差，引入電熔尖晶石，其抗渣性明顯提升［47］。蔡瑋等［48］研究發(fā)現(xiàn)，在硅溶膠結(jié)合莫來石-剛玉澆注料中添加適量的碳化硼，可以進一步提升澆注料的常溫抗折強度、常溫耐壓強度、高溫抗折強度和抗熱震性能。

2.2 莫來石-堇青石耐火材料

為滿足陶瓷燃燒器用耐火材料抗熱震性好、抗沖刷、耐高溫、抗侵蝕、荷重軟化溫度高等需求，朱新軍等［49］以M70燒結(jié)莫來石、M70電熔莫來石和堇青石為主要原料，通過澆注-離心成型工藝，制備出莫來石-堇青石質(zhì)陶瓷燃燒器用組合磚。將其應用于熱風爐陶瓷燃燒器，該磚性能良好，能滿足大中型熱風爐燃燒器的使用需求。

焦爐爐門襯磚需具有好的耐磨性、體積穩(wěn)定性、抗結(jié)碳性和抗熱震性等。李宏偉等［50］以M70燒結(jié)莫來石和堇青石為主要原料，以鋁酸鹽水泥為結(jié)合劑，制備出一種線膨脹率低、氣孔率低、抗熱震性好的莫來石-堇青石預制磚。將該預制磚應用于日本新日化大型焦爐爐門，使用1 a后，預制磚表面光滑、無裂紋。

2.3 莫來石-礬土耐火材料

以莫來石和鋁礬土為主要原料制備的澆注料，用水量少，并且在較寬的溫度范圍內(nèi)都展現(xiàn)出較高的力學強度［51］。夏昌勇等［52］以礬土骨料和M75燒結(jié)莫來石細粉為主要原料，純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，制備出一種供燒結(jié)點火爐用礬土-莫來石澆注料，將該澆注料應用于馬鋼、本鋼、武鋼等點火爐的爐頂、隔墻和點火段的側(cè)墻，材料使用效果良好，點火爐內(nèi)襯無大的剝落和開裂，部分點火爐的服役時間超過4 a。

為了進一步提升莫來石-礬土基澆注料的耐磨性和抗熱震性，筆者等［53-54］以M60莫來石、鋁礬土和碳化硅為主要原料，鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，制備出一種具有優(yōu)良力學性能和耐磨性能的莫來石-礬土-碳化硅澆注料。筆者等［55-56］還以M60莫來石、鋁礬土和堇青石為主要原料，鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，制備出一種具有良好抗爆裂性和抗熱震性的莫來石-礬土-堇青石澆注料。該澆注料可解決爐襯初始加熱時易爆裂的問題。

2.4 莫來石-鎂鋁尖晶石耐火材料

鎂鋁尖晶石具有優(yōu)異的抗熱震性、耐腐蝕性和耐磨性［57］。Khalil等［58］研究發(fā)現(xiàn)，在莫來石基澆注料中引入納米鎂鋁尖晶石，由于莫來石和鎂鋁尖晶石之間的熱膨脹系數(shù)失配，導致在尖晶石周圍產(chǎn)生張緊環(huán)應力并且在基體中形成微裂紋，這有利于增強材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而限制裂紋的擴展。因此，制備的莫來石-鎂鋁尖晶石澆注料具有良好的抗熱震性。

2.5 莫來石-碳化硅耐火材料

碳化硅具有強度高、熱導率大、耐磨損等性能，可與莫來石結(jié)合制備性能優(yōu)良的莫來石-碳化硅澆注料。王亞娟等［59］以M70莫來石和碳化硅為主要原料，以純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，制備出1 400℃下高溫抗折強度為10 MPa的莫來石-碳化硅濕法噴射澆注料。該濕法噴射澆注料具有良好的流變性能，表現(xiàn)為屈服值和表觀黏度都較小的假塑性流體，適合泵送管道輸送，可應用于鋼包、電爐、高爐、魚雷罐等窯爐。劉龍等［60］指出在莫來石-碳化硅澆注料中添加6%（w）的鋯英石能進一步提高莫來石-碳化硅澆注料的耐磨性能，使其適用于對抗熱震性和耐磨性有嚴苛要求的襯里部位。

2.6 莫來石結(jié)合剛玉-碳化硅耐火材料

為了解決普通結(jié)合劑（如鋁酸鈣水泥）結(jié)合的剛玉-碳化硅澆注料高溫性能降低的問題，張戰(zhàn)營等［61］以剛玉和碳化硅為骨料，以M70莫來石粉、Al2O3微粉和SiO2微粉為結(jié)合基質(zhì)，制備出一種莫來石結(jié)合剛玉-碳化硅無水泥澆注料。因基質(zhì)中引入莫來石粉經(jīng)燒結(jié)后可在澆注料內(nèi)部形成柱狀莫來石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此提高了剛玉-碳化硅澆注料的常溫抗折強度、常溫耐壓強度、高溫抗折強度和抗熱震性能。

3 在航天工業(yè)中的應用

火箭發(fā)射平臺是關(guān)鍵的地面設(shè)備之一。在火箭發(fā)射起飛過程中，發(fā)動機的燃氣流逐漸從導流槽作用于發(fā)射平臺的導流孔側(cè)壁及發(fā)射平臺上表面，發(fā)射平臺因此受到燃氣流的燒蝕與沖擊。為了確保在火箭發(fā)射過程中發(fā)射平臺主體結(jié)構(gòu)不被燒蝕破壞，發(fā)射平臺的金屬結(jié)構(gòu)必須通過熱防護材料進行有效保護［62］。

針對中國現(xiàn)役規(guī)模最大的長征五號運載火箭的發(fā)射工況，筆者等［63］以莫來石和堇青石等為主要原料，鋁酸鹽水泥為結(jié)合劑，研制出一種適用于長征五號火箭發(fā)射平臺熱防護的耐火材料，具有良好的耐燒蝕和隔熱性能。在金屬鋼板上涂覆30 mm厚的該耐火材料，經(jīng)縮比試驗發(fā)動機模擬燃氣流燒蝕后的平均線燒蝕率為0.86 mm·s-1，金屬鋼板背溫溫升約為30℃。將研制的耐火材料應用于海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心的長征五號火箭發(fā)射平臺上，火箭發(fā)射后的使用表明，材料能夠承受長征五號運載火箭4個助推器里的8臺120 t液氧煤油發(fā)動機和芯級火箭里的2臺氫氧發(fā)動機共10臺發(fā)動機同時點火的燃氣流燒蝕與沖刷，發(fā)射平臺金屬結(jié)構(gòu)背溫溫升約70℃，耐火材料的脫落面積小于總面積的10%。

4 在軍工領(lǐng)域中的應用

在艦船裝備發(fā)射過程中，甲板表面的環(huán)氧防銹漆會受到裝備發(fā)射尾焰的炙烤和噴吹而失效，從而失去了對甲板的防護作用。為了提高艦船的使用率，減少艦船返廠維修的次數(shù)，需要對艦船甲板進行有效防護。同時，由于艦船服役于海洋的特殊自然環(huán)境中（高鹽霧、高濕、高紫外線照射）［64］，防護材料的選擇尤為重要。

針對艦船甲板的服役工況，筆者等［65］研制出一種雙層結(jié)構(gòu)的耐燒蝕涂層。該涂層底層以環(huán)氧樹脂為主要原料、表層采用莫來石為基體的不定形耐火材料，具有良好的涂抹施工性。厚度為15 mm的耐燒蝕涂層經(jīng)縮比試驗發(fā)動機模擬燃氣流燒蝕后的平均線燒蝕率為1.16 mm·s-1，金屬鋼板背溫溫升約為35℃。同時，該耐燒蝕涂層具有良好的耐鹽霧性能和抗老化性能，滿足海洋特殊自然環(huán)境中的應用。研制的莫來石基不定形耐火材料有望減少艦船甲板的熱燒蝕和熱沖擊，從而確保裝備發(fā)射的可靠性。

5 在其他領(lǐng)域中的應用

除上述應用領(lǐng)域外，以莫來石為原料制備的高性能耐火材料還被應用于玻璃、水泥、石化、電力等領(lǐng)域的高溫設(shè)備中。電熔莫來石可用于制備玻璃窯體爐襯磚、無堿玻璃沉淀池莫來石磚；以莫來石為原料制備的石錫槽磚是浮法玻璃窯成型階段筑爐用的一種關(guān)鍵耐火材料［66］；采用莫來石制備的莫來石-剛玉澆注料也被應用于玻璃窯。以低鋁莫來石（M45）為主要原料制備的低鋁耐堿莫來石磚，具有良好的抗堿侵蝕性、抗熱震性、耐高溫性，較高的荷重軟化溫度，較低的體積密度和熱導率，不僅適用于水泥回轉(zhuǎn)窯預熱帶、安全帶、三次風管、燒成帶、冷卻帶等［67-68］，也可應用于活性石灰煅燒、鉻鹽焙燒、堿-石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁等回轉(zhuǎn)窯［69］，能夠?qū)崿F(xiàn)窯爐輕型化，減少筒體熱損失，具有節(jié)能降耗的作用；以莫來石為主要原料制備的莫來石基澆注料則被應用于水泥回轉(zhuǎn)爐窯口、水泥窯蓋、三風管機頭冷機等部位［70］。莫來石基耐火澆注料還可應用于石化液態(tài)催化轉(zhuǎn)爐等石化工業(yè)［71］。

6 結(jié)語與展望

莫來石復合耐火材料作為各種窯爐內(nèi)襯在冶金、陶瓷、水泥和石化等傳統(tǒng)領(lǐng)域已獲得廣泛應用。歸納莫來石復合耐火材料的主要應用，見表1。由于這些設(shè)備處于高溫、高壓的環(huán)境中，莫來石耐火材料需具有良好的耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性，可以有效地延長設(shè)備的使用壽命和提高生產(chǎn)效率。今后莫來石在耐火材料中應用的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾點：

表1 莫來石復合耐火材料的應用

（1）拓展莫來石質(zhì)耐火材料的應用領(lǐng)域。除傳統(tǒng)高溫工業(yè)領(lǐng)域，莫來石質(zhì)耐火材料已在航天、軍工等領(lǐng)域嶄露頭角。但目前莫來石質(zhì)耐火材料在這些領(lǐng)域的應用頗為局限，今后將繼續(xù)推廣其在航天、軍工等領(lǐng)域的應用。

（2）促進輕質(zhì)莫來石原料的開發(fā)。隨著節(jié)能減排的推進，輕質(zhì)、隔熱耐火材料的研制對降低窯爐熱損失、提高工作效率具有重要意義。以輕質(zhì)莫來石制備的耐火材料不但具有良好的高溫性能，同時還具有較好的隔熱效果，且具有良好高溫性能的輕質(zhì)隔熱耐火材料的使用可以減薄甚至取消工作層。以輕質(zhì)莫來石為原料制備的耐火澆注料能夠解決以珍珠巖、蛭石或陶粒等為原料制備的輕質(zhì)耐火澆注料使用溫度低、無法在高溫下直接接觸火焰作為工作襯里使用的難題。因此，氣孔率大、體積密度小、熱導率低、強度高的輕質(zhì)莫來石的開發(fā)對研制節(jié)能降耗、具有良好高溫性能的輕質(zhì)隔熱耐火材料起到積極地促進作用。

（3）加強納米莫來石在耐火材料中的應用。近年來，納米技術(shù)在耐火材料中已成功應用，并不斷獲得材料性能上的突破。納米莫來石粉體的使用可進一步改善耐火材料的性能，未來納米莫來石將在耐火材料中發(fā)揮越來越重要的作用。