01添加金屬粉

在提升高溫抗折強(qiáng)度方面，添加的金屬粉主要有金屬Al、Si等。其作用機(jī)制主要包括：①金屬Al、Si等與鎂碳磚中的石墨、樹脂碳等反應(yīng)生成Al4C3、SiC等，強(qiáng)化碳碳之間的結(jié)合，提升強(qiáng)度;②金屬Al、Si等在鎂碳磚中生成晶須、纖維等，強(qiáng)化材料基質(zhì);③生成鎂鋁尖晶石等物相，改善陶瓷結(jié)合等。隨著金屬Al的增加，低碳鎂碳磚的高溫抗折強(qiáng)度增加，并在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的金屬Al的鎂碳磚結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了較多的MgAIO和晶須。

通過(guò)引入性質(zhì)不同的金屬Zn粉、Al粉，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬添加質(zhì)量比Al/Zn為1，且添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%時(shí)，經(jīng)1400℃處理的試樣的高溫抗折強(qiáng)度更大。此時(shí)，伴隨著金屬炭化反應(yīng)的膨脹量適中，基質(zhì)骨料結(jié)合緊密且應(yīng)力較小。在鎂碳磚中，柱狀或板狀A(yù)l4C3相互交錯(cuò)存在于骨料之間或堵塞試樣內(nèi)部的氣孔中，增大了顆粒問(wèn)滑移的阻力。因此，添加金屬Al，生成了Al4C3，增強(qiáng)了鎂碳磚的高溫抗折強(qiáng)度。添加金屬Si也同樣可以增加鎂碳磚的高溫強(qiáng)度，但效果沒(méi)有金屬Al的顯著。

02原位生成碳化物、氮化物等晶須

鎂碳磚高溫抗折強(qiáng)度的提高常通過(guò)原位生成碳化物、氮化物晶須等實(shí)現(xiàn)。晶須一般是納米或亞微米級(jí)的一維結(jié)晶材料，內(nèi)部缺陷很少，強(qiáng)度和模量也接近晶體材料的理論值。同時(shí)，晶須在磚中的網(wǎng)狀分布或在鎂碳磚組織結(jié)構(gòu)中的釘扎和鎖固作用等也賦予了材料較好的強(qiáng)度。添加金屬Si粉和Al粉的鎂碳磚隨著熱處理溫度的升高，試樣的高溫抗折強(qiáng)度和熱震后殘余抗折強(qiáng)度都在增加，而1400℃熱處理后的試樣抗折強(qiáng)度較大。通過(guò)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，在1400℃時(shí)磚內(nèi)不但有針刺狀A(yù)lN生成，且鑲嵌在鎂砂顆粒表面，還同時(shí)伴有大量的SiC晶須和針狀的β—Si3N4晶須生成。如此微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，應(yīng)力可以通過(guò)界面層由基體傳遞給晶須，晶須使基體所受應(yīng)力得以分散，降低了破壞作用。而當(dāng)試樣受熱應(yīng)力的作用而產(chǎn)生的裂紋尺寸比較小時(shí)，晶須則起到了橋連作用，抑制裂紋的繼續(xù)擴(kuò)張;當(dāng)隨著裂紋的增大，裂紋處的晶須進(jìn)一步被破壞，晶須從基體中被拔出來(lái)而消耗能量，此時(shí)的拔出效應(yīng)將賦予鎂碳磚較高的高溫力學(xué)性能。

03在鎂碳磚內(nèi)生成或加入納米碳

碳納米管是近年來(lái)出現(xiàn)的新材料，力學(xué)性能非常突出，所以，在鎂碳磚高溫抗折強(qiáng)度提升和微結(jié)構(gòu)改善方面，一些學(xué)者通過(guò)引入催化劑等方式在材料中形成碳納米管，得到了較好的效果。通過(guò)引入Fe納米片來(lái)改性酚醛樹脂和制備低碳鎂碳磚。研究發(fā)現(xiàn)，摻雜0.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鎂碳磚在1000℃下產(chǎn)生大量直徑為50～100ml，長(zhǎng)度為微米級(jí)的碳納米管。相較于未摻雜Fe納米片的試樣，高溫抗折強(qiáng)度從8.29MPa增加至10.29MPa，幅度約為24%，達(dá)到了更高值。

大量碳納米管的存在將MgO顆粒牢固地聯(lián)鎖住，當(dāng)應(yīng)力在空白試樣上施加時(shí)，裂紋開始出現(xiàn)在指定的試樣的表面，并隨后沿MgO晶粒邊界在基質(zhì)傳播，直到試樣完全被破壞。對(duì)于摻雜0.5%的試樣來(lái)說(shuō)，當(dāng)裂紋通過(guò)MgO顆粒時(shí)，碳納米管由于其強(qiáng)度高，韌性好，可以通過(guò)橋接和裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制吸收和釋放裂紋處的應(yīng)力。

除在鎂碳磚中形成碳納米管外，還有引入納米碳來(lái)改善鎂碳磚的微觀結(jié)構(gòu)、提升材料的高溫抗折強(qiáng)度，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%石墨添加量的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入不同比例的納米碳與石墨組合使用，發(fā)現(xiàn)高溫抗折強(qiáng)度(HMOR)隨著納米碳含量的增加而增加，其值從2.5MPa增加到4.5MPa(0.9%質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加量時(shí))，且在納米碳進(jìn)一步增加時(shí)保持恒定。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著納米碳的含量增加，填充和壓實(shí)效果更好些。同時(shí)，納米碳具有非常高的反應(yīng)性，在與金屬添加劑接觸時(shí)能以更高的速率形成碳化物，結(jié)合力更強(qiáng)，強(qiáng)度更高。