《Ceramics International》：Thermal shock behavior of low-carbon MgO–C refractories: Role of SiC whiskers
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摘要抗热震性是影响低碳耐火材料在高温服役条件下稳定运行的关键性能指标。本文研究了添加0和3 wt% SiC晶须对MgO–C耐火材料微观结构、力学性能及热震行为的影响。SiC晶须的掺入促进了六方板状Mg2SiO4的形成，降低了柱状β-Si3N4晶粒的平均长度和直径，并提高了其长
摘要
抗热震性是影响低碳耐火材料在高温服役条件下稳定运行的关键性能指标。本文研究了添加0和3 wt% SiC晶须对MgO–C耐火材料微观结构、力学性能及热震行为的影响。SiC晶须的掺入促进了六方板状Mg2SiO4的形成，降低了柱状β-Si3N4晶粒的平均长度和直径，并提高了其长径比。与未添加SiC晶须的耐火材料相比，添加了SiC晶须的耐火材料表现出更好的力学性能和抗热震性。经过在空气中1100 °C连续两次热震-冷却循环（每次30 min）处理后，残余常温抗折强度和常温耐压强度分别提高了22%和24%，而断裂比能则提高了60%。这些性能提升与陶瓷相形态的改变以及SiC晶须的增强增韧效应有关。研究结果评估了SiC晶须在改善低碳MgO–C耐火材料热震行为方面的潜力。
引言
耐火材料是高温工业中不可或缺的基础支撑材料，广泛应用于钢铁冶金、有色冶炼、能源和发电领域。作为清洁钢生产中应用的典型含碳耐火材料，氧化镁–碳（MgO–C）耐火材料因其卓越的抗热震性和抗渣腐蚀性，在冶炼和精炼过程中不可或缺[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。它们被广泛用作现代炼钢转炉的内衬材料，在钢铁生产中发挥着重要作用。随着对高品质洁净钢和特殊钢需求的不断增加，在保持整体性能的同时降低MgO–C耐火材料的石墨用量变得日益重要。然而，降低石墨用量必然会导致热导率下降，从而削弱耐火材料耗散温度变化引起的热应力的能力，降低其耗散能量的能力[6]、[7]。因此，抗热震稳定性不足的低碳MgO–C耐火材料在使用过程中容易产生裂纹萌生和扩展，促进熔渣渗透，从而降低耐火材料的抗渣腐蚀性[8]、[9]、[10]。同时，非连续结构的剥落概率增加，从而缩短了耐火材料的使用寿命。因此，提高低碳MgO–C耐火材料的抗热震性对于延长其使用寿命至关重要。
针对这些挑战，近年来人们对掺入具有特定性能的微纳级添加剂——如高热导率、优异的抗热震性和抗氧化性——给予了极大关注[11]、[12]、[13]。据报道，BN、ZrB2、Ti3AlC2、Al3BC3和Al4SiC4等添加剂可以改善耐火材料的抗热震性及其他高性能特性[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。此外，某些添加剂可以通过氧化或与周围相反应形成保护层，从而提高抗氧化性和抗腐蚀性。例如，K.S. Chandra等人[19]将纳米结构钇铝石榴石（YAG）引入Al2O3–MgO–C耐火材料中，发现YAG在高温氧化条件下与生成的尖晶石结合，在氧化层内形成连续的烧结骨架，使抗氧化性和抗热震性分别提高了70%和70%。C. Yu等人[20]、[21]研究了Al3BC3和Al添加剂对MgO–C耐火材料高温性能的影响。Al的添加改善了Al3BC3的热稳定性，同时在高温下形成了致密的MgO–MgAl2O4–Mg3B2O6层，从而提高了耐火材料的抗氧化性和抗腐蚀性。这些研究表明了先进添加剂在提高低碳含碳耐火材料高温性能方面的潜力。然而，部分添加剂较高的生产成本和复杂的制备工艺限制了其实际应用。因此，仍需通过优化原料组成、微观结构设计和加工技术来开发高性能且经济实用的添加剂体系。
SiC作为典型的传统添加剂，仍因其在高温下稳定的理化性能而被广泛用于耐火材料中，包括低热膨胀、高热导率、高温强度以及优异的抗腐蚀性和抗热震性[22]、[23]、[24]、[25]。颗粒状SiC是耐火材料中最常用的形式。与颗粒状SiC相比，一维SiC晶须具有更低的密度、更高的断裂韧性和热导率，并可通过晶须拔出、桥接和微裂纹偏转等机制对耐火材料进行增强增韧[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。因此，SiC晶须在提高耐火材料断裂韧性和抗热震性方面具有相当大的潜力。然而，其在含碳耐火材料体系中的应用仍面临挑战。在氧化过程中，SiC晶须会生成SiO2，可能导致耐火材料中形成硅酸盐并降低性能。此外，由于SiC晶须具有高长径比和比表面积，在混合过程中容易发生团聚，导致其在基体中分布不均匀，从而恶化耐火材料的性能。这些问题限制了SiC晶须在含碳耐火材料体系中的可靠性。此外，SiC晶须与含碳耐火材料的相容性及其在高温条件下对陶瓷相演变、力学性能和热震行为的影响仍缺乏充分了解。因此，需要进一步研究以阐明其作用并评估其在该类体系中的应用。
鉴于上述考虑，本研究旨在通过添加SiC晶须添加剂来提高MgO–C耐火材料的热震稳定性。系统对比了含SiC晶须与不含SiC晶须耐火材料的微观结构、力学性能和热震行为。此外，基于观察到的微观结构演变和力学性能，分析了SiC晶须改善热震行为的可能作用机制。
章节摘要
MgO–C耐火材料的制备
原材料包括熔融氧化镁（97.00 wt% MgO；中国大石桥市巨铂高温耐火材料有限公司）、Si粉（99.90 wt% Si；中国清河县鑫铁金属有限公司）、Al2O3粉（99.99 wt% Al2O3；上海麦克林试剂有限公司）、鳞片石墨（97.00 wt% C；巩义金峰净水材料有限公司）、SiC晶须（99.00 wt% SiC，自主研发添加剂）[31]，以及液态热固性酚醛树脂（73 wt%固体含量，8 wt%
耐火材料的物相组成与微观结构演变
图2展示了氮化样品A和B的XRD图谱。样品A中检测到的物相包括α-Si3N4、β-Si3N4、SiC、Mg2SiO4和AlN。掺入SiC晶须后，α-Si3N4、β-Si3N4和Mg2SiO4的衍射峰强度明显增强，而SiC和AlN的衍射峰强度基本未变。此外，反应氮化过程中局部区域发生的剧烈放热反应可能促进了原始Al2O3参与反应4–6[34]、[35]
结论
本文研究了MgO–C耐火材料在掺入和未掺入SiC晶须条件下的力学性能和热震稳定性，特别关注了热震后的微观结构演变和力学性能。与未添加SiC晶须的耐火材料相比，掺入SiC晶须促进了具有更规则六方形态和相互交错、片层状结构的板状Mg2SiO4的形成。它还降低了平均
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竞争性利益声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到了湖南省教育厅科学研究基金（25A0651，25A0653）、先进耐火材料国家重点实验室开放基金项目（SKLAR26029YW）、宜昌宜园新材料科技有限公司技术开发项目（HYW-2026-008）、大学生创新创业训练项目（S202611528168）以及湖南工业大学特色应用学科省级开放基金项目（
Yang Chen|Ji Yu|Qianlin Chen|Chengxiong Yi|Zhi Wu|Yanhua Li|Tao Zhang|Jun Ding|Chengji Deng
