引言

耐火材料的抗热震性(即抵抗温度急剧变化而不破裂的能力)是高温工业(如冶金、陶瓷、石化等)中关键性能指标，其核心是减少材料在热冲击下产生的热应力，或提高材料承受热应力的能力。提高抗热震性的途径可从材料成分、显微结构、制备工艺及应用策略等多方面入手，具体方法如下：

优化材料成分，调控基础热物理性能

材料的热物理性能(如热膨胀系数、热导率、弹性模量等)是决定热应力大小的核心，通过成分设计可直接降低热应力或提高抗应力能力。

1.降低热膨胀系数

热膨胀系数(α)越小，温度剧变(ΔT)时产生的热应力(σ∝α·ΔT)越小。因此，选择低膨胀系数的原料或引入低膨胀相是关键：

1◦1常用低膨胀原料：堇青石(α≈1.5×10⁻⁶/℃)、莫来石(α≈5×10⁻⁶/℃)、石英玻璃(α≈0.5×10⁻⁶/℃)等，可通过配方设计将其作为主相或复合相。

1◦2例：堇青石质耐火材料因极低的膨胀系数，常用于热风炉、陶瓷窑炉等需频繁承受热冲击的部位。

2.提高热导率(λ)

高热导率可加快材料内部热量传递，减少内外温度梯度(ΔT/Δx)，从而降低热应力(σ∝ΔT/Δx)。

2◦1引入高导热相：如在Al₂O₃基材料中加入SiC(λ≈80 W/(m·K))、石墨(λ≈100 W/(m·K))、金属纤维(如不锈钢纤维)等，显著提升导热性。

2◦2例：SiC质耐火材料因高热导率，抗热震性远优于普通黏土砖，广泛用于高炉出铁沟。

3.降低弹性模量(E)

弹性模量越低，材料在相同应力下的形变能力越强(σ=E·ε)，可通过形变缓解热应力。

方法：引入低模量相(如非晶态玻璃相)、控制烧结程度(适当降低致密度，保留少量柔性相)。

设计显微结构，增强应力缓冲与裂纹抑制能力

材料的显微结构(如气孔、裂纹、界面等)直接影响热应力的传递和释放，通过优化结构可减少裂纹扩展。

4.调控气孔率与气孔结构

4◦1适量气孔(尤其是闭口气孔或均匀分布的小气孔)可缓冲热膨胀(类似“弹性空间”)，降低应力集中;但气孔率过高会降低强度，需平衡(通常控制在10%-20%)。

4◦2方法：通过添加造孔剂(如碳粉、有机纤维，高温烧失后形成气孔)、控制烧结温度(避免过度致密化)实现。

5.引入微裂纹或弱界面

预先引入分布均匀的微裂纹(非贯通)或弱结合界面，可在热应力作用下通过裂纹“尖端钝化”“分支扩展”消耗能量，避免宏观断裂：

5◦1利用不同相的膨胀差异：如在Al₂O₃基体中加入ZrO₂(ZrO₂升温时会发生相变膨胀)，通过相变应力在界面产生微裂纹;或加入膨胀系数差异较大的颗粒(如SiC与Al₂O₃)，烧结后形成界面微裂纹。

5◦2弱界面设计：采用涂层颗粒(如用黏土包裹刚玉颗粒)，使颗粒与基体结合强度低于基体本身，热应力时优先在界面开裂，阻止裂纹贯穿。

6.细化晶粒或形成复相结构

细晶粒材料的晶界更多，可阻碍裂纹扩展(晶界是裂纹的“屏障”);复相结构(如多相陶瓷)中不同相的性能差异可分散应力，提高韧性。

例：Al₂O₃-ZrO₂复相耐火材料，ZrO₂颗粒细化Al₂O₃晶粒，同时利用ZrO₂相变增韧，抗热震性远优于单一Al₂O₃材料。

复合增强与增韧，提升材料力学韧性

通过引入增强相(纤维、晶须等)，利用其“桥联”“拔出”效应消耗裂纹扩展能量，提高材料的断裂韧性(K₁c)，从而增强抗热震性。

7.纤维/晶须增强

7◦1纤维类型：碳纤维、碳化硅晶须、钢纤维、氧化铝纤维等，长度通常为10-50mm，含量5%-15%。

7◦2机理：当材料产生裂纹时，纤维横跨裂纹两端(桥联作用)，阻止裂纹张开;若裂纹继续扩展，纤维被“拔出”，需克服摩擦力消耗能量，显著提高韧性。

7◦3应用：不定形耐火材料(如浇注料、喷涂料)中加入钢纤维或碳纤维，可大幅提升抗热震性(如钢纤维增强高铝浇注料用于锅炉水冷壁)。

8.梯度结构设计

采用“梯度材料”设计：材料从表层到内层的成分、性能呈梯度变化(如表层低膨胀、高导热，内层耐高温、高强度)，减少整体热应力差。

例：高炉炉缸内衬采用“炭砖-陶瓷杯”梯度结构，表层陶瓷杯抗热冲击，内层炭砖耐高温，兼顾抗热震与耐用性。

优化制备工艺，减少内部缺

材料内部的宏观缺陷(如气孔集中、裂纹、夹杂)是热震破坏的“起点”，通过工艺控制可减少缺陷，提高均匀性。

9.控制原料粒度与混合均匀性

9◦1采用多级配粒度(粗、中、细颗粒搭配)，减少堆积空隙，提高致密度均匀性;避免粗颗粒团聚(易形成应力集中点)。

9◦2例：刚玉质耐火材料通过“粗刚玉+细刚玉+微粉”级配，减少内部孔隙集中。

10.优化烧成制度

缓慢升温/降温，减少烧成过程中的热应力导致的内部裂纹;控制最高烧成温度和保温时间，避免晶粒异常长大(粗晶粒易在晶界产生缺陷)。

11.改进成型工艺

采用等静压成型(相比普通模压)，使材料密度更均匀，减少内部应力分布不均;对不定形材料，优化振动成型参数，避免气泡残留。

应用过程中的辅助措施

在使用场景中，通过减少热冲击强度或保护材料，间接提高抗热震性：

12.控制升降温速率

在窑炉开停或操作时，降低升温/降温速度(如从50℃/h降至20℃/h)，减少内外温差，降低热应力。

13.表面涂层保护

在材料表面涂覆低导热涂层(如氧化锆涂层)或相变涂层，减少表面与环境的热交换速率，降低表层温度波动。

14.预留膨胀缝

在砌筑耐火材料时预留合理的膨胀缝，为材料热膨胀提供空间，避免因膨胀受限产生附加应力(如窑炉内衬砖的砌筑缝设计)。

总结

提高耐火材料抗热震性的核心逻辑是：“减少热应力产生”(低膨胀、高导热)+“增强应力缓冲与释放”(微裂纹、气孔)+“提高材料韧性”(纤维增强、复相结构)。实际应用中需根据材料类型(定形/不定形)、使用温度及热冲击频率，综合选择多种方法(如低膨胀原料+纤维增强+梯度结构)，实现性能最优。