耐火澆注料是一種多相非均質(zhì)體，其在熱沖擊下的損毀形式較為復(fù)雜，內(nèi)部裂紋在擴(kuò)展過程中會(huì)在氣孔、物相相界、晶界等位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生能量損耗而受阻。在耐火澆注料抗熱震性測試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，通過分析受熱端面破損率、出現(xiàn)可見裂紋的熱震次數(shù)、承受恒定載荷而不發(fā)生破壞的熱震次數(shù)、抗折強(qiáng)度保持率、耐壓強(qiáng)度保持率、彈性模量保持率等指標(biāo)評(píng)價(jià)材料的抗熱震性。
除上述方法外，在熱震過程中，亦可采用彈性模量、抗折強(qiáng)度和超聲波波速的衰減來表征材料內(nèi)部缺陷的變化特點(diǎn)。彈性模量的衰減主要是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部微裂紋的形成，材料內(nèi)部微裂紋數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致彈性模量值的減小。抗折強(qiáng)度的減小與材料內(nèi)部最大缺陷的尺寸相關(guān)，如果材料內(nèi)部最大裂紋尺寸在熱震過程中有所發(fā)展，其抗折強(qiáng)度將出現(xiàn)明顯下降。耐火材料超聲波無損檢測技術(shù)能夠?qū)Σ牧蟽?nèi)部裂紋、氣孔等缺陷進(jìn)行相關(guān)分析。超聲波波速的減小說明材料內(nèi)部連貫性下降，如更多的裂紋、氣孔等缺陷的生成。耐火澆注料在熱震過程中內(nèi)部會(huì)生成大量的缺陷，利用單一評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)材料的抗熱震性無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果。
鑒于此，擬以水合氧化鋁(ρ-Al2O3)結(jié)合莫來石質(zhì)澆注料為對象，通過在澆注料內(nèi)引入第二相鋼纖維，利用不同材料熱膨脹系數(shù)的差異性在內(nèi)部形成微裂紋以達(dá)到改善抗熱震性能的目的。
圖1為1200 ℃熱處理后不同鋼纖維加入量對莫來石質(zhì)澆注料常規(guī)物理性能的影響。由圖1可見，隨著鋼纖維加入量的增加，澆注料線收縮率逐漸變小(見圖 1a)。這是因?yàn)殇摾w維的熱膨脹系數(shù)較大約為(12~14)×10–6 /℃，遠(yuǎn)高于莫來石澆注料基體約為(4~6)×10–6 /℃，造成添加鋼纖維后的線變化率趨向于膨脹。同時(shí)，隨著鋼纖維加入量的增加，成型時(shí)所需加水量增加，雖然鋼纖維密度大于莫來石基體材料，但因鋼纖維加入量不大(最大量為2.5%)，導(dǎo)致澆注料的體積密度隨鋼纖維添加變化較小，即體積密度在2.65~2.68 g/cm3，顯氣孔率在14.6%~15.5%波動(dòng)變化。熱震后因材料內(nèi)部裂紋的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)變得疏松，表現(xiàn)為澆注料的 體積密度下降(見圖 1b)，顯氣孔率增加(見圖 1c)
圖2為莫來石質(zhì)澆注料熱震前后的性能變化。由圖2a可見，熱震后澆注料的抗折強(qiáng)度保持率呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律，當(dāng)鋼纖維加入量為1.5%時(shí)，熱震后抗折強(qiáng)度保持率達(dá)到最大，這表明鋼纖維的引入有助于提高材料的斷裂韌性，減緩熱震過程中內(nèi)部缺陷的生成擴(kuò)展，提升澆注料的抗熱震性，但過量鋼纖維可能會(huì)導(dǎo)致澆注料內(nèi)部缺陷數(shù)量和尺寸增加，反而降低材料的抗熱震性。
在熱震過程中，隨著鋼纖維的增加，澆注料內(nèi)部缺陷的數(shù)量會(huì)增多，也將導(dǎo)致材料彈性模量保持率的降低(見圖2b)；缺陷數(shù)量增多提高了彼此間橋接互聯(lián)的概率，增加了澆注料基體結(jié)構(gòu)的不連貫性，引起材料超聲波波速保持率的下降(見圖 2c)。
圖3為不同鋼纖維加入量莫來石澆注料熱震后SEM 照片。鋼纖維加入量為 0、1.5%、2.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的澆注料樣品，由于SEM分析樣品來自1 200 ℃處理后的1100 ℃ 3 次熱震循環(huán)后樣品，鋼纖維經(jīng)過4次熱處理后多數(shù)已熔化至基體材料中，甚至局部可能形成含Fe玻璃相，因此 SEM 觀察中并未看到殘留鋼纖維。由于熱處理溫度不高且保溫時(shí)間不長(1 200 ℃保溫 3 h)，局部還可看到未反應(yīng)的仍保持原來絮狀團(tuán)聚形貌的活性 ρ-Al2O3 (見圖3中箭頭所指的呈深灰色團(tuán)狀相)。
結(jié)論：少量鋼纖維(不大于1.0%)加入時(shí)，澆注料的斷裂能、抗熱應(yīng)力損傷因子會(huì)隨鋼纖維量增加呈下降趨勢：當(dāng)其加入量介于1.0%~2.0%之間時(shí)，澆注料的抗裂紋擴(kuò)展能力隨鋼纖維加入量增加而增加，進(jìn)而提高了抗熱震性能；但過量鋼纖維(大于2.0%)會(huì)導(dǎo)致抵抗微裂紋擴(kuò)展能力的再次下降。 抗熱震性試驗(yàn)過程中，澆注料內(nèi)部缺陷的數(shù)量和尺寸會(huì)隨鋼纖維加入量增大而增加，導(dǎo)致彈性模量保 持率和超聲波波速保持率的持續(xù)下降，而抗折強(qiáng)度 保持率則呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律。