剛玉和碳化硅因高溫性能優異，而成為耐火澆注料的優質原料。但由于剛玉和碳化硅燒結性能差，采用普通結合劑會使產品的高溫性能降低，如采用鋁酸鈣水泥作為結合劑時，低溫結合強度較好，但中溫強度差，同時由于引入一定量的CaO，會形成降低澆注料使用性能的鈣長石(Ca0·Al₂O₃·SiO₂)或鈣鋁黃長石(2Ca0·Al₂0₃·SiO₂)。因此，目前常采用添加氧化硅微粉代替水泥作結合劑生產低水泥、超低水泥以至無水泥澆注料。本研究采用氧化硅微粉和氧化鋁(a-Al203)微粉以及莫來石微粉作為結合基質，進行莫來石結合剛玉-碳化硅澆注料的組成與性能的研究，旨在改善澆注料的燒結性能，提高澆注料的高溫力學性能和熱震穩定性。

1試驗與結果

1.1試驗用原料

試驗所用的合成莫來石、剛玉、氧化硅微粉和碳化硅的化學組成列于表1。

　　表1 原料的化學組成/%

1.2試驗方案

為了使剛玉-碳化硅質澆注料能具有良好的高溫力學性能、體積穩定性和熱震穩定性，組成和配比的設計從以下幾方面加以考慮：

(1)合理的顆粒級配以獲得良好的作業性和高致密度：

(2)在基質中反應生成的新結合相為莫來石高溫相，提高澆注料的高溫強度：

(3)在加熱過程中逐漸形成良好的組織結構，保持體積穩定性和較好的抗熱震性。

據Kronert報，uf-SiO₂和活性氧化鋁微粉合理配合使用，在基質中能形成莫來石結合相。該結合相呈網狀分布，能夠改善澆注料的中高溫強度。研究表明，基質中網狀莫來石結合相的形成能極大地提高試樣的熱態強度。一般當氧化鋁微粉和氧化硅微粉的質量比為2.55左右時，有利于形成莫來石。本實驗使用的氧化鋁微粉和氧化硅微粉之比接近上述比例，實際比例為2.33。

試驗中剛玉骨料為連續級配，碳化硅為<2mm的細骨料，粉料是由氧化鋁、莫來石、氧化硅微粉組成。氧化硅微粉為煙塵粉，粒度<1um，莫來石微粉<5um，氧化鋁為<4pm和<5um的粉料。在骨料中，碳化硅的加入量固定為10%，配料中骨料與粉料之比為65：35。而粉料中氧化鋁微粉與氧化硅微粉之比為2.33 ，由氧化鋁與氧化硅組成的混合料與合成莫來石料之比分別為25 :15(A)，20 :15 (B)，15：10(C) ，20：25(D)。其配比見表2。

　　表2 試驗用澆注料配料組成/ %

1.3 試驗結果

四種不同配比的澆注料物理性能列于表3。

　　表3 澆注料物理性能

（1）1100℃≒風冷，3次

從表2和表3可以明顯看出：隨著超細混合粉比例的提高，從試樣A到D，其體積密度、熱處理后常溫抗折強度和常溫耐壓強度以及高溫抗折強度均隨之提高。而熱震穩定性變化規律有所不同，A、B和D試樣經熱震后的殘余強度保持率分別為49%、44%和45%，相差不大，C試樣殘余強度保持率較高，為63%。

2討論

2.1 組成對性能和結構的影響

莫來石剛玉結合-碳化硅質澆注料的主要結構強度取決于基質的結合強度。因為以剛玉-碳化硅作為骨料的澆注料，其骨料顆粒之間很難燒結而結合在一起，因此，必須依靠基質形成的結合相將其結合起來。根據上述試驗結果可知，隨著基質中合成莫來石粉(SM)與混合粉(MP)之比的降低，也就是隨著混合粉比例的提高，物理性能有顯著的提高。這里混合粉為由氧化鋁微粉和氧化硅微粉按Al₂O₃/SiO₂為2.33組成的粉料，這類粉料在澆注料中加熱處理時可“就位”生成莫來石，在這里可稱為次生(二次)莫來石。上面試驗結果說明：次生莫來石對澆注料強度的貢獻大于原生(合成)莫來石。這是因為次生莫來石比原生莫來石更易于在基質中形成網絡結構，更有助于提高結構強度，尤其是高溫熱態強度。

2.2顯微結構特征

采用SEM研究發現，澆注料基質中柱狀莫來石連成一片一片的網狀結構(見圖1)，而莫來石的晶間由玻璃相填充。剛玉骨料顆粒與基質中的SiO₂反應，在剛玉顆粒周邊形成新生的二次莫來石反應環帶(見圖2)。而碳化硅顆粒邊緣清晰整齊，但顆粒周邊有一層富Si殼層，參差不齊的富Si層與基質中的玻璃相反應結合為一體(見圖3)。

　　圖1 澆注料基質的SEM的照片

　　圖2 剛玉顆粒周圍二次莫來石的SEM照片　

　　圖3 碳化硅顆粒與基質結合的SEM照片

一次生莫來石化是燒結過程中玻璃相中的SiO₂與剛玉之間的反應，主要有兩種形式：其一是存在于剛玉顆粒周圍，這種次生莫來石存在于顆粒與基質的結合部位，形成圍繞顆粒分布的次生莫來石反應環帶，將剛玉顆粒與基質結合為一體;其二是存在于基質之中剛玉微粉與玻璃相中SiO₂的反應，生成的次生莫來石在基質中形成網絡結構，改善了基質的高溫性能，從而提高了澆注料的整體性能。因此，隨澆注料基質中剛玉微粉和SiO₂微粉的增加，系統中生成的次生莫來石增多，從而各種性能得到改善。

3結論

由預合成的莫來石粉料和Al₂O₃/SiO₂為2.33的混合粉料組成基質的莫來石剛玉結合-碳化硅澆注料，其物理性能和高溫力學性能是隨著基質中次生莫來石生成量的增加而提高。說明次生莫來石對剛玉-碳化硅澆注料性能的改善的貢獻大于原生莫來石。