内容简介
耐火材料是一类无机非金属材料，具有出色的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗老化等特性，能够在高温环境下保持结构稳定性，不易出现受热氧化、膨胀等影响。耐火材料广泛应用于冶金、化工、建筑、能源等工业领域，是现代工业中不可或缺的重要材料之一。在舰船领域，耐火材料主要应用于锅炉内衬、烟道、防火分隔等高温热力设备中。舰船航行过程中会面临各种复杂环境，因此耐火材料还需具备良好的抗热冲击性和结构稳定性，其在舰船上的应用是保障舰艇动力系统稳定运行、提高舰船在航率的关键。《舰船耐火材料》深入总结作者团队20余年来在舰船耐火材料领域的研究成果，系统阐述舰船耐火材料的应用和需求、舰船耐火材料体系组成及制备工艺、典型舰船耐火材料的失效分析与寿命预测、舰船耐火材料的未来发展方向等内容。
精彩书摘
**章绪论
耐火材料的历史可以追溯到古代，自青铜时代起，人们就尝试通过使用耐火材料以利用热量来制造材料，因此*初耐火材料是一种赋能材料，其主要功能是促进其他材料的生产，如金属、玻璃、石化产品和水泥等。炼铁和炼钢的反应炉需要耐火材料，随着工业革命的推进，高炉、焦炉、热风炉等工业设备广泛应用，显著提升了市场对耐火材料的需求量。如果没有耐火材料，过去100年的部分科学技术发展不会发生[1]。
1.1传统耐火材料的概况
耐火材料是指物理和化学性质适宜在髙温环境下使用的无机非金属材料，但不排除某些产品中含有一定量的金属材料，是冶金、水泥、玻璃、陶瓷、机械、动力及石油化工等工业的重要基础材料。尽管各国对耐火材料的定义不尽相同，但有一点是相同的，即耐火材料可用作高温窑、炉或高温容器等热工设备的内衬结构材料，也可用作高温装置中的元件、部件等，它应该具有优异的耐高温性能、一定的高温力学性能、良好的体积稳定性及抗侵蚀性能等。
1.1.1耐火材料的分类方式
1.矿物组成分类
1）硅质耐火材料
Si02含量超过90%的材料通常称为硅质耐火材料，主要包括硅砖及熔融石英制品。硅砖以硅石为主要原料生产，其Si02含量一般不低于93%，主要矿物组成为鳞石英和方石英，既可以为定形耐火材料，也可以为不定形耐火材料。该耐火材料具有热导率高、荷重软化点高及抗酸性渣侵蚀能力强等优点，但其*大的缺点是抗热震稳定性较差。因此，该耐火材料主要用作焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉及其他热工设备的结构材料。
2）硅酸铝质耐火材料
桂酸银质耐火材料是由A1203、Si02及少量杂质所组成的，按耐火材料中的A1203含量不同可分为半硅质耐火材料（A1203质量分数为15%～30%）、黏土质耐火材料（A1203质量分数为30%～48%）和髙铝质耐火材料（A1203质量分数>48%）。
硅酸铝质耐火材料具有质量轻、热稳定性和保温性能好等优点，但其开始变形温度为1400°C。因此，铝硅酸盐耐火材料在冶金行业一般用作保温材料，不用于工作层[2]。
3）镁质耐火材料
镁质耐火材料是指以镁砂为主要原料，以方镁石为主晶相，MgO含量大于80%的碱性耐火材料。受镁质原料成分的影响，镁质耐火材料主要组分为MgO、FeO、Fe203>A1203、Si02、CaO、Cr203。MgO的熔点高达2800°C，镁质耐火材料的耐火度达到2000°C，因此镁质耐火材料具有良好的耐高温性能。镁质耐火材料包括镁砖、镁橄榄石质耐火材料、镁铝尖晶石质耐火材料、镁铬质耐火材料、白玉石质耐火材料。其中，镁铬质耐火材料是由镁砂和铬铁矿制成的，并且以镁砂为主要组分。与传统镁砖相比，镁铬质耐火材料热稳定性更强，广泛应用于有色冶炼炉。但六价铬对环境和人体健康有严重危害，特别是会对水造成严重污染，因此在生产和制作过程中，需严格控制碱性介质和氧分压。
4）白云石质耐火材料
白云石质耐火材料以白云石为主要原料、MgO和CaO为主要成分的碱性耐火材料，其中CaO的质量分数为40%～60%，MgO的质量分数为30%～40%，二者之和一般大于90%。白云石质耐火材料的耐火温度在1780°C以上，0.2乂?&荷重软化开始温度为1550°(：，由此可见，其具有较好的高温稳定性。白云石质耐火材料属于强碱性耐火材料，对碱性渣具有较强的抗渣性，但对酸性渣的抗渣性较差。因此，该耐火材料主要用于平炉炉墙和炉底、回转窑烧成带等。
5）刚玉尖晶石质耐火材料
刚玉主晶相为ot-Al203，具有硬度大、耐磨性好、强度高的特点，有较好的抗酸性渣侵蚀和渗透的能力，可以与许多氧化物和非氧化物相复合，从而提高自身的一些性能，如抗热震性、抗渣（酸性或碱性）侵蚀性等。例如，与Si02复合形成刚玉莫来石质耐火材料，与MgO复合形成刚玉-尖晶石质耐火材料等。
尖晶石矿物具有类质同象的特征，品种很多，成分也比较复杂，目前，在各工业国家中，作为炼钢用感应电炉炉衬材料的，主要是镁铝尖晶石（Mg(>Al203），通常称为尖晶石。纯镁铝尖晶石中，MgO质量分数只不过是28.2%，但仍属于碱性耐火材料。镁铝尖晶石系材料的耐火度高，热膨胀系数小，高温下的热稳定性好、抗碱性炉渣侵蚀的能力强[3]。
6）碳质耐火材料
碳质耐火材料又称含碳耐火材料，是以两种或两种以上不同性质的耐火氧化物（MgO、CaO、A1203、Zr02等）和碳素材料及非氧化物材料为原料，将碳素材料作为结合剂而制成的一种多相复合耐火材料。碳质耐火材料的耐火度高、导热性和导电性均好，荷重变形温度和高温强度优异，抗渣性和抗热震性都比其他耐火材料好，但这一类制品都有易氧化的缺点。因此，碳质耐火材料主要用于冶炼不锈钢、纯净钢及低硫钢等优质钢种领域。
7）锆质耐火材料
错质耐火材料是指以氧化锆（Zr02）、锆英石等含锆材料为原料生产的耐火材料，
目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 传统耐火材料的概况 1
1.1.1 耐火材料的分类方式 1
1.1.2 耐火材料的性能表征 5
1.1.3 耐火材料的应用 13
1.2 舰船耐火材料的概况 14
1.2.1 舰船耐火材料的应用特点 15
1.2.2 舰船耐火材料的发展历史 16
1.3 舰用新型耐火材料的研究现状 17
1.3.1 隔热-耐火一体化材料 17
1.3.2 高抗热震耐火材料 18
参考文献 19
第2章 舰用莫来石基耐火材料 20
2.1 氧化物耐火材料的分类 20
2.1.1 氧化硅耐火材料 21
2.1.2 氧化镁耐火材料 23
2.1.3 氧化铝耐火材料 24
2.1.4 其他氧化物耐火材料 25
2.2 莫来石基多孔陶瓷的特点与研究概况 26
2.2.1 莫来石陶瓷的基本物性 26
2.2.2 莫来石基多孔陶瓷的类型 28
2.3 莫来石基多孔陶瓷制备过程中的影响因素 30
2.3.1 蛋白粉含量的影响 31
2.3.2 固相含量的影响 33
2.3.3 空心球粒径的影响 34
2.3.4 空心球含量的影响 38
2.3.5 烧结温度的影响 40
2.3.6 晶须改性的影响 43
2.4 3D打印莫来石基多孔陶瓷 47
2.4.1 莫来石基多孔陶瓷的3D打印工艺 47
2.4.2 3D打印莫来石基多孔陶瓷的结构 52
2.4.3 3D打印莫来石基多孔陶瓷的性能 56
参考文献 59
第3章 舰用氮化硅基耐火材料 63
3.1 氮化物耐火材料的分类 63
3.1.1 氮化硅 64
3.1.2 氮化硼 69
3.1.3 氮氧化硅 69
3.1.4 其他含氮化合物耐火材料 71
3.2 轻质泡沫陶瓷的制备方法 73
3.2.1 冷冻干燥法 74
3.2.2 直接发泡法 74
3.2.3 添加造孔剂法 75
3.2.4 有机泡沫浸渍法 76
3.2.5 3D 打印法 77
3.3 轻质氮化硅泡沫陶瓷制备过程中的影响因素 78
3.3.1 蛋白粉含量的影响 79
3.3.2 固相体积分数的影响 81
3.3.3 搅拌方式及搅拌速度的影响 82
3.3.4 气氛压力的影响 84
3.3.5 烧结条件的影响 86
3.4 轻质氮化硅泡沫陶瓷的力学增强 91
3.4.1 泡沫陶瓷力学性能增强的典型措施 92
3.4.2 原位生长纳米线增强氮化硅泡沫陶瓷 96
3.4.3 致密壳层增强氮化硅泡沫陶瓷 104
参考文献 111
第4章 舰用碳化硅基耐火材料 117
4.1 碳化物耐火材料 117
4.1.1 碳化物耐火材料简介 117
4.1.2 碳化物耐火材料的制备工艺 118
4.1.3 典型碳化物耐火材料的性质及研究进展 120
4.1.4 舰用碳化硅基耐火材料简介及其应用 125
4.2 碳化硅结合氮化硅耐火陶瓷的配方技术 126
4.2.1 配方优化技术要求 127
4.2.2 颗粒级配优化 128
4.2.3 添加剂优化 129
4.2.4 固化剂优化 132
4.2.5 催化剂优化 134
4.3 碳化硅结合氮化硅耐火陶瓷的制备工艺 134
4.3.1 制备工艺流程 135
4.3.2 成型过程中的工艺优化 136
4.3.3 烧结过程中的工艺优化 142
4.4 碳化硅结合氮化硅耐火陶瓷的抗氧化性能 145
4.4.1 含硼化合物的引入 145
4.4.2 硅溶胶浸渍处理 147
4.4.3 红柱石结合相的引入 150
参考文献 154
第5章 舰船耐火材料的失效分析与寿命预测 158
5.1 耐火材料的失效分析与寿命预测概述 158
5.1.1 耐火材料热冲击失效的研究进展 158
5.1.2 耐火材料寿命预测的研究进展 161
5.2 耐火材料的细观结构模型及数值计算模型 161
5.2.1 颗粒增强复合材料细观建模方法的研究概况 162
5.2.2 泰森图及其改进 165
5.2.3 SiC耐火陶瓷的三维细观结构模型 172
5.2.4 SiC耐火陶瓷的数值计算模型 179
5.3 耐火材料的宏观等效失效准则 188
5.3.1 数值计算方案设计与物性参数 188
5.3.2 SiC耐火陶瓷宏观等效失效准则的获取 190
5.4 失效参数对耐火材料热冲击失效的影响 199
5.4.1 基于宏观等效失效准则的热冲击失效分析 200
5.4.2 基于数值计算的热冲击失效分析 206
5.4.3 热冲击失效分析结果对比 215
5.5 耐火材料的寿命预测 218
5.5.1 失效判据 218
5.5.2 寿命预测 222
参考文献 227
第6章 舰船耐火材料的发展方向 233
6.1 舰船耐火材料当前面临的问题 233
6.1.1 降低成本 233
6.1.2 寿命延长 234
6.1.3 热修补技术 234
6.2 舰船耐火材料发展展望 235
6.2.1 多功能一体化 235
6.2.2 制备工艺改进 236
6.2.3 异形件的增材制造 237
参考文献 238
试读
**章绪论
耐火材料的历史可以追溯到古代，自青铜时代起，人们就尝试通过使用耐火材料以利用热量来制造材料，因此*初耐火材料是一种赋能材料，其主要功能是促进其他材料的生产，如金属、玻璃、石化产品和水泥等。炼铁和炼钢的反应炉需要耐火材料，随着工业革命的推进，高炉、焦炉、热风炉等工业设备广泛应用，显著提升了市场对耐火材料的需求量。如果没有耐火材料，过去100年的部分科学技术发展不会发生[1]。
1.1传统耐火材料的概况
耐火材料是指物理和化学性质适宜在髙温环境下使用的无机非金属材料，但不排除某些产品中含有一定量的金属材料，是冶金、水泥、玻璃、陶瓷、机械、动力及石油化工等工业的重要基础材料。尽管各国对耐火材料的定义不尽相同，但有一点是相同的，即耐火材料可用作高温窑、炉或高温容器等热工设备的内衬结构材料，也可用作高温装置中的元件、部件等，它应该具有优异的耐高温性能、一定的高温力学性能、良好的体积稳定性及抗侵蚀性能等。
1.1.1耐火材料的分类方式
1.矿物组成分类
1）硅质耐火材料
Si02含量超过90%的材料通常称为硅质耐火材料，主要包括硅砖及熔融石英制品。硅砖以硅石为主要原料生产，其Si02含量一般不低于93%，主要矿物组成为鳞石英和方石英，既可以为定形耐火材料，也可以为不定形耐火材料。该耐火材料具有热导率高、荷重软化点高及抗酸性渣侵蚀能力强等优点，但其*大的缺点是抗热震稳定性较差。因此，该耐火材料主要用作焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉及其他热工设备的结构材料。
2）硅酸铝质耐火材料
桂酸银质耐火材料是由A1203、Si02及少量杂质所组成的，按耐火材料中的A1203含量不同可分为半硅质耐火材料（A1203质量分数为15%～30%）、黏土质耐火材料（A1203质量分数为30%～48%）和髙铝质耐火材料（A1203质量分数>48%）。
硅酸铝质耐火材料具有质量轻、热稳定性和保温性能好等优点，但其开始变形温度为1400°C。因此，铝硅酸盐耐火材料在冶金行业一般用作保温材料，不用于工作层[2]。
3）镁质耐火材料
镁质耐火材料是指以镁砂为主要原料，以方镁石为主晶相，MgO含量大于80%的碱性耐火材料。受镁质原料成分的影响，镁质耐火材料主要组分为MgO、FeO、Fe203>A1203、Si02、CaO、Cr203。MgO的熔点高达2800°C，镁质耐火材料的耐火度达到2000°C，因此镁质耐火材料具有良好的耐高温性能。镁质耐火材料包括镁砖、镁橄榄石质耐火材料、镁铝尖晶石质耐火材料、镁铬质耐火材料、白玉石质耐火材料。其中，镁铬质耐火材料是由镁砂和铬铁矿制成的，并且以镁砂为主要组分。与传统镁砖相比，镁铬质耐火材料热稳定性更强，广泛应用于有色冶炼炉。但六价铬对环境和人体健康有严重危害，特别是会对水造成严重污染，因此在生产和制作过程中，需严格控制碱性介质和氧分压。
4）白云石质耐火材料
白云石质耐火材料以白云石为主要原料、MgO和CaO为主要成分的碱性耐火材料，其中CaO的质量分数为40%～60%，MgO的质量分数为30%～40%，二者之和一般大于90%。白云石质耐火材料的耐火温度在1780°C以上，0.2乂?&荷重软化开始温度为1550°(：，由此可见，其具有较好的高温稳定性。白云石质耐火材料属于强碱性耐火材料，对碱性渣具有较强的抗渣性，但对酸性渣的抗渣性较差。因此，该耐火材料主要用于平炉炉墙和炉底、回转窑烧成带等。
5）刚玉尖晶石质耐火材料
刚玉主晶相为ot-Al203，具有硬度大、耐磨性好、强度高的特点，有较好的抗酸性渣侵蚀和渗透的能力，可以与许多氧化物和非氧化物相复合，从而提高自身的一些性能，如抗热震性、抗渣（酸性或碱性）侵蚀性等。例如，与Si02复合形成刚玉莫来石质耐火材料，与MgO复合形成刚玉-尖晶石质耐火材料等。
尖晶石矿物具有类质同象的特征，品种很多，成分也比较复杂，目前，在各工业国家中，作为炼钢用感应电炉炉衬材料的，主要是镁铝尖晶石（Mg(>Al203），通常称为尖晶石。纯镁铝尖晶石中，MgO质量分数只不过是28.2%，但仍属于碱性耐火材料。镁铝尖晶石系材料的耐火度高，热膨胀系数小，高温下的热稳定性好、抗碱性炉渣侵蚀的能力强[3]。
6）碳质耐火材料
碳质耐火材料又称含碳耐火材料，是以两种或两种以上不同性质的耐火氧化物（MgO、CaO、A1203、Zr02等）和碳素材料及非氧化物材料为原料，将碳素材料作为结合剂而制成的一种多相复合耐火材料。碳质耐火材料的耐火度高、导热性和导电性均好，荷重变形温度和高温强度优异，抗渣性和抗热震性都比其他耐火材料好，但这一类制品都有易氧化的缺点。因此，碳质耐火材料主要用于冶炼不锈钢、纯净钢及低硫钢等优质钢种领域。
7）锆质耐火材料
错质耐火材料是指以氧化锆（Zr02）、锆英石等含锆材料为原料生产的耐火材料，
