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MgO-C耐火材料的碳源
MgO-C耐火材料的碳源可以分為無定型炭以及石墨碳。其中，無定型炭來源于結(jié)合劑酚醛樹脂或焦油瀝青的炭化產(chǎn)物，因此也稱為結(jié)合炭。加入配料中的原料如鱗片石墨，膨脹石墨以及土狀石墨等大多為石墨碳，炭黑由于其非晶的特性屬于無定型炭。各種炭素原料都有各自的物理特性，在選擇時(shí)需分析不同炭素對(duì)于MgO-C耐火材料的影響規(guī)律。對(duì)于傳統(tǒng)MgO-C耐火材料，碳含量大致在10~20wt%左右。而低碳MgO-C耐火材料的總碳含量一般≤8wt%。通過對(duì)于炭素原料的選擇與設(shè)計(jì)能夠提升低碳MgO-C耐火材料的性能。
01石墨
石墨主要分為兩類：天然石墨和人造石墨。
目前，含碳耐火材料制備所用炭素原料以天然石墨為主，而用途最為廣泛的是鱗片石墨。鱗片石墨具有卓越的熱學(xué)和力學(xué)性能，能在MgO-C耐火材料的基質(zhì)中形成連續(xù)的碳網(wǎng)絡(luò)，來緩解溫度急劇變化所帶來的熱應(yīng)力。石墨的純度，粒度，揮發(fā)分等性能直接影響了MgO-C耐火材料的性能及使用壽命。石墨的純度越高，其灰分和揮發(fā)分的含量就越低，加入MgO-C耐火材料中能夠形成致密結(jié)構(gòu)組織，有效地抵抗熔渣的侵蝕，顯著提高材料的使用壽命。石墨的純度對(duì)于MgO-C耐火材料的高溫力學(xué)性能存在顯著影響：對(duì)于添加低純度石墨制備的MgO-C耐火材料，其雜質(zhì)在基質(zhì)中易與鎂砂等原料反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物相，從而破壞了材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，降低了MgO-C耐火材料的高溫力學(xué)性能。石墨的粒徑同樣會(huì)影響所制備的MgO-C耐火材料的抗氧化性和熱震穩(wěn)定性。配料所用鱗片石墨的粒徑越大，其抗氧化性和熱震穩(wěn)定性越好。粒徑大的鱗片石墨有著較完整的晶體結(jié)構(gòu)以及較高的熱導(dǎo)率，能夠減緩被氧化速率并且減小熱應(yīng)力對(duì)于MgO-C耐火材料的損壞。因此，工業(yè)上生產(chǎn)MgO-C耐火材料所用鱗片石墨的粒度通常要求大于0.125mm。
02炭黑
炭黑是在氧氣不足的條件下通過有機(jī)物的不完全燃燒或受熱分解獲得的產(chǎn)物。屬于無定型炭，由于其超細(xì)的粒度可以用于填充MgO-C耐火材料內(nèi)部氣孔和基質(zhì)之間的縫隙?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，采用其它炭素原料部分替代鱗片石墨能提高低碳MgO-C耐火材料的性能。使用納米碳黑部分代替鱗片石墨作為碳源，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米尺寸的碳黑替代0.4wt%鱗片石墨能顯著提高試樣的熱震穩(wěn)定性，明顯優(yōu)于未添加炭黑的試樣，其熱震穩(wěn)定性與碳含量為16wt%的試樣相當(dāng)。同時(shí)，試樣的常溫力學(xué)性能以及高溫力學(xué)性能隨著納米碳黑含量的增強(qiáng)同樣呈現(xiàn)上升的趨勢。同時(shí)，唐等將納米炭黑添加到結(jié)合劑酚醛樹脂中制備復(fù)合結(jié)合劑。結(jié)果表明：納米炭黑的引入顯著提高了試樣的力學(xué)性能。并且采用獨(dú)特的炭黑-酚醛樹脂復(fù)合結(jié)合劑的引入方式所制備的試樣力學(xué)性能優(yōu)于在基質(zhì)中直接引入炭黑的試樣。并且，炭黑的引入在提高試樣的力學(xué)性能的同時(shí)降低了酚醛樹脂炭化后氣孔數(shù)量，提高了結(jié)合劑熱處理后的石墨化程度。
03碳的同素異形體
由于碳原子能夠形成多種分子結(jié)構(gòu)，碳有著多種同素異形體如碳納米管，石墨烯，富勒烯等。對(duì)于其低維的同素異形體如碳納米管或石墨烯，由于其獨(dú)特的力學(xué)性能，作為炭素原料添加入MgO-C耐火材料中同樣能提升MgO-C耐火材料的性能。研究表明，將碳納米管添加到耐火材料中能提高其強(qiáng)度和韌性。將石墨烯片引入低碳MgO-C耐火材料中，發(fā)現(xiàn)添加石墨烯試樣的力學(xué)性能以及熱震穩(wěn)定性都有所提高。但是，由于上述材料在工業(yè)應(yīng)用中無法大批量生產(chǎn)，其較高的成本也限制了其在耐火材料領(lǐng)域的應(yīng)用。
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