特种耐火材料之氧化锆砖

 

采用工业氧化锆、氧化铝为原料，通过超细粉碎，严格控制粉末粒度，用常规工艺，可制得高强度、高韧性的氧化锆-氧化铝复相陶瓷，是一种高级耐火材料。

研究结果表明：在氧化锆基体中添加氧化铝可有效地抑制氧化锆晶粒生长，有利于使氧化锆晶粒以亚稳四方相存在，从而提高材料的强度和断裂韧性。氧化铝质量分数为20%时，复相陶瓷的抗弯强度达到676.7MPa，断裂韧性达到10MPa/m²。相变增韧和颗粒弥散增韧作用相互叠加，提高了复相陶瓷材料的力学性能。

采用热分解法制备氧化铝微粉，用化学共沉淀法制备氧化锆超细粉，通过适当工艺制备出氧化锆/氧化铝复相陶瓷。认为添加氧化铝可抑制氧化锆晶粒的长大，提高基体的强度和韧性。当氧化铝的质量分数达到30%时，在1600℃烧成的昨相陶瓷的抗弯强度为968MPa，断裂韧性为13.7MPa/cm²。

在刚玉质耐火材料中加入氧化锆，制成赐玉-氧化锆复合材料，这是相变强化、增韧以及微裂纹增韧理论在耐火材料中应用的范例。刚玉-氧化锆试样在烧成冷却时，氧化锆发生相变，在材料内部形成一定数量的微裂纹，有利于材料机械强度的提高和韧性的增加。当氧化锆的外加量较少时，材料中的微裂纹数量不多，对刚玉质耐火材料的强度影响不大；当外加量太高时（如达到质量分数9%以上），由于材料中微裂纹数量较多，导致材料的抗折强度下降。

用刚玉、合成莫来石和单斜氧化锆作原料，配合料用等静压成型，在1650～1700℃烧成。试样的抗折强度随温度变化的规律为：强度先与温度并增，直至转折温度后，再随温度升高而下降，这是由于不同晶相之间热膨胀失配以及微裂纹的局部弥合的结果。转折温度在800～900℃，由于氧化锆马氏体相变，在1000～1200℃都有“谷”的特征，谷底在1100℃。

氧化锆的加入量对试样的高温力学性能和显微结构有明显的影响。在低温阶段（20～800℃），加入氧化锆后的强度变化取决于显微结构的两方面因素——结构骨架强度与微裂纹密度，一般以后者为主。当氧化锆约15%时，均匀弥散的氧化锆填充在刚玉——莫来石骨架里，起一定强化作用，但由于马氏体相变产生的微裂纹所引起的弱化作用超过这种强化作用，因此强度降低。氧化锆量增到20%～35%时，结构骨架有所弱化，同时微裂纹密度增大，所以强度继续下降。气阀 经锆加入量达到40%以上，结构骨架强度有明显改善，故强度稍有回升。

在1300～1500℃高温阶段，微裂纹大部分已弥合、钝化，所以对强化已基本不起作用。这时决定强度变化是结构骨架强度和晶界固溶强化作用。随着氧化锆加入量增加晶界固溶强度作用增大，还有少量氧化锆可能进入晶界玻璃相，能提高黏度，也起一定的强化作用。

在氧化锆增韧氧化铝陶瓷中，氧化锆粒子是用机械混合研磨的方法引入的。在烧结过程中，两种物质间并不发生反应或复合，只是在高温下靠表面蒸发扩散和界面扩散而斗篷到致密化，属于固相烧结。氧化锆的加入有促进烧结的作用，而且当烧结时间延长时，又能阻碍氧化铝晶粒的长大，提高制品的高温力学性能。

在锆刚玉中加入2%二氧化钛，二氧化钛优先与氧化锆形成固熔体，但是熔体的生成未阻止氧化锆的晶形转变，氧化锆仍以m-ZrO₂ 为主晶相存在。二氧化钛促进了氧化铝和氧化锆晶粒的发育，使材料的气孔率增大，强度下降。二氧化钛的加入降低了锆刚玉的高温热膨胀率，但热膨胀率与温度不是均匀的直线关系，由线在1100℃出现极大值。

在氧化铝陶瓷中加入氧化锆制备氧化铝/氧化锆烧结材料，因具有优良的力学和热力学性能，近年来受到普遍重视。该系列陶瓷材料硬度高，韧性好，耐磨性优。可用于制造刀具、塞规、滑动轴承等。在冶金工业上用作滑动水口的滑板材料。对氧化铝-氧化锆材料的一系列理论研究，也为制造优质Al₂O₃-ZrO₂-C材料打下了良好的基础。