众所周知，纳米技术作为高新技术已成为各领域研发的热点课题，得到了迅速发展和日益增加的应用。纳米技术（包括纳米相材料技术和纳米复合改性技术)是利用纳米粉体性能的独特性而使材料在力学、磁学、热学、催化等方面的性能发生明显改变。当细粉的粒度达到纳米尺度时，由于极细的晶粒、大比表面积和大量处于晶界和晶粒内缺陷中心的原子，在性能上与微米级粉体间有着显著的差异，应用后会产生一些特殊效果。

近年来，关于纳米技术在耐火材料中应用的研究越来越多，主要是在耐火材料中引入纳米粉体、引入溶胶和引入纳米材料的前驱物来改善显微结构，提高材料性能，取得了较好的效果。因此，将纳米技术在耐火材料中加以应用，有助于实现高性能化，对开发新型高性能纳米复合耐火材料具有指导意义。在此，笔者将介绍和讨论纳米技术在不定形耐火材料、氧化物制品中的应用及相关问题，为耐火材料界同仁提供一些有实用价值的参考依据。

纳米技术在不定形耐火材料中的应用

纳米技术在不定形耐火材料中的应用主要体现在浇注料中，引入的方式主要有：外加纳米粉、以溶胶为结合剂和引入前驱物后原位形成纳米结构。也就是说，利用纳米粉自身特性、分布和表面、界面效应来达到提高结合性、减少加水量、降低有害组分、增加反应活性、提高某些性能的目的。

目前，国内外有关在耐火浇注料中引入纳米粉体的研究报道不多。据了解，有关研究人员在刚玉-尖晶石自流浇注料中引入纳米Al2O3，提高了浇注料在不同温度下的力学性能，主要原因在于引入的纳米Al2O3可促进烧结，使CA6的生成温度降至1300℃。另外，他们还在刚玉-尖晶石浇注料中引入纳米技术来调控材料结构和性能方面做了大量工作，并得出引入纳米粉可改善材料结构，明显提高材料某些性能。

同时，有研究人员对比研究了纳米尺度与微米尺度的加入物对浇注料性能的影响，如将纳米Al2O3和纳米MgO引入到刚玉-尖晶石浇注料中，可降低原位生成尖晶石所产生的膨胀，高温力学性能和抗侵蚀性提高，但与引入微米级Al2O3和MgO的效果相差不大。由于纳米粉体价格昂贵，因此研究人员还提出要研究纳米粉体在浇注料中应用的可行性。另有研究人员将纳米Al2O3、纳米SiC引入到Al2O3-SiC-C浇注料中，浇注料强度和抗渗透性或抗侵蚀性有所提高，流变性有所降低。此外，还有研究人员研究了铝镁系及铝硅系纳米粉体的制备及应用。结果表明，加入铝镁系纳米粉或铝硅系纳米粉均能提高氧化铝基浇注料的中、高温强度。其中，加入3%铝硅纳米粉时效果最为显著。

可见，纳米粉可促进浇注料烧结，改善显微结构和某些性能。但由于价格昂贵，其在不定形耐火材料中应用时的性价比值得考虑，因此应寻找廉价的纳米源，提高性价比。铝、硅等溶胶与对应的氧化物纳米粉相比，价格要低得多，将其作为结合剂取代水泥等传统结合剂，可降低杂质组分，提高材料性能。

目前，在此方面的研究已成为新热点。有研究人员系统研究了溶胶对刚玉基浇注料性能的影响。结果表明，在刚玉基浇注料中引入硅溶胶可明显提高浇注料在800℃~1200℃下的热态强度、抗热震性和抗侵蚀性。铝、硅溶胶作为结合剂取代水泥在刚玉-尖晶石浇注料和Al2O3-SiC-C浇注料中应用时，纳米颗粒可促进烧结，结构较致密，气孔微细化，抗侵蚀性优良；且硅溶胶与Al2O3反应生成莫来石，进而明显提高浇注料的高温强度和抗热震性。

有研究人员在浇注料中加入溶胶-凝胶法得到的纳米尖晶石，在相同实验条件下，其流动性比加氧化镁细粉和加共沉淀法制得的微米级尖晶石高出80%，同时具有优良的热震稳定性和抗渣性。

另有研究人员用铝硅凝胶粉取代Al2O3-SiC-C浇注料中的纯铝酸钙水泥既有利于降低β-SiAlON的生成温度，又可减少材料中低熔物的量，使试样经中、高温处理后的常温抗折强度及耐压强度有较大提高。

由以上研究结果可知，在浇注料中引入溶胶作结合剂，可明显提高性能并降低浇注料中有害成分的含量，且溶胶相对价格低，因此，可作为工业化大规模应用的纳米源物料。

另一种较经济地引入纳米相的方法是加入纳米前驱物，使其受热分解后生成原位纳米相。有研究人员将纳米碳酸钙引入到刚玉-尖晶石浇注料中，高温下纳米碳酸钙分解，原位生成铝酸钙系矿物，能明显提高浇注料在800℃~1400℃的热态抗折强度和抗热震性能，对浇注料抗高碱度渣性能的影响较小，但明显降低了抗低碱度渣的侵蚀性和渗透性。其原理在于800℃烧后纳米CaCO3分解成CaO，并与Al2O3反应生成无定形铝酸钙，产生原位结合；随温度升高，铝酸钙逐渐和更多地与Al2O3反应，直到1600℃后完全生成板状CA6，并均匀分布在浇注料中。

另有研究人员在刚玉浇注料中引入亚微米MgCO3，MgCO3分解生成的MgO通过固溶而稳定刚玉原料中的β-Al2O3，并促进其生成板状晶体；与冷态抗折强度相比，MgCO3对浇注料的热态抗折强度影响较显著；加入0.5％~1.0％的MgCO3时，板状β-Al2O3的生成使试样的热态抗折强度提高；加入2.0％以上的MgCO3亚微米粉时，液相数量的增加以及晶粒细化使热态抗折强度降低。有研究人员用MgCl2·6H2O高温分解产生的纳米MgO来调控刚玉-尖晶石浇注料的膨胀性，为抑制水泥结合的刚玉-尖晶石浇注料因生成CA6产生较大体积膨胀提供了新思路；其原理在于，纳米MgO低温下与Al2O3反应在Al2O3周围形成一尖晶石层，减缓或抑制了CaO与Al2O3的反应，且纳米粉促进固相烧结产生的收缩抵消了原位生成CA6的膨胀。

纳米技术在氧化物制品中的应用

纳米技术在氧化物制品中应用的研究主要集中在引入纳米粉体以促进烧结或作为矿化剂改善显微结构以及提高氧化物制品的韧性等方面。

有研究人员在刚玉质耐火材料中分别加入少量的纳米Al2O3和纳米SiO2，这两种纳米粉均能使刚玉砖的烧成温度降低100℃~200℃，且在相同烧成条件下使刚玉砖的常温抗折强度和耐压强度提高1~2倍。

有研究人员研究了添加纳米Fe2O3对镁铬质耐火材料烧结和力学性能的影响，结果表明，在相同工艺条件下，外加1%纳米Fe2O3可使镁铬砖的烧成温度降低150℃左右，纳米Fe2O3改善了镁铬砖的显微结构，常温抗折强度和耐压强度大幅度提高。另有研究人员在刚玉砖基质中加入了0~3%的α-Al2O3纳米粉和0~12%的α-Al2O3微粉，结果表明，同时加入纳米粉和微粉可以促进固相烧结，改善烧结性能，使烧结温度降低200℃~400℃；刚玉砖中加入少量的α-Al2O3纳米粉和适量的α-Al2O3微粉可以显著提高试样的高温抗折强度，并对抗热震性能有一定的改善作用。

还有研究人员在刚玉质、ZrO2质耐火材料中分别引入纳米Al2O3和纳米ZrO2，结果表明，纳米粉能促进材料烧结，并在材料中形成一种以纳米颗粒为核的类似于“晶内型”的复合结构，因而增强了材料的力学性能，提高了材料的抗热震性。纳米粉的加入量为1.5%时，制品的综合性能达到最佳。另有研究表明，加入纳米Cr2O3促进MgO-Cr2O3耐火材料烧结致密化，烧成温度从1800℃降至1350℃。该研究人员还对比研究了引入微米尺度和纳米尺度Cr2O3对烧结致密化的影响，结果表明，1350℃烧后，引入微米Cr2O3试样的结构较为疏松，收缩率仅1.3%。而引入纳米Cr2O3试样中的镁砂颗粒较圆润，原位生成了纳米MgCr2O4尖晶石，结构致密，收缩率达14%，晶粒间形成了直接结合。

近年来，国内外较多研究报道有关在氧化物制品或非氧化物制品中引入Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2等纳米粉，以降低氧化物制品的烧结温度。但纳米粉价格昂贵，且在基体中不易分散均匀，其性价比及工业化应用的可行性值得探讨。目前，有关纳米粉促进烧结方面的报道逐年减少。应选择物美价廉且易于工业化应用的纳米源，比如引入价格相对较低的溶胶或凝胶以及一些纳米前驱体，使其加热过程中原位形成纳米相，进而优化材料结构、提高材料性能。

纳米技术具有某些奇特的作用，将其应用到耐火材料中，为优化材料结构与性能、实现高性能化提供了新途径。纳米技术在不定形耐火材料、氧化物制品的初步应用取得了可喜效果，表明有广阔前景。目前尚存在纳米源的价格昂贵且难以分散的问题，应积极开展相关的基础工作加以改进，同时，应寻求价廉物美、来源方便、适合工业化应用的纳米源。