微孔富铝尖晶石协同提升Al2 O3 -MgO基浇注料隔热性能与服役寿命的机制研究

　　为解决高密度耐火材料导热率高、服役寿命短导致的能源效率低下问题，研究人员通过引入新型微孔富铝尖晶石(Mg0.4 Al2.4 O4 )，开发出兼具低热导率（1000℃下降低28%）和高机械性能（高温抗折强度提升47%）的Al2 O3 -MgO基浇注料，其热震后强度保留率提高30%，腐蚀与渗透指数分别降低12.5%和28.6%，为高温工业节能降耗提供了创新解决方案。

　　

在全球变暖与低碳经济转型的背景下，高温工业（如冶金、水泥、陶瓷）面临严峻的能源效率挑战。耐火材料作为高温设备的核心组件，其性能直接影响能耗与产品质量。传统高密度耐火材料虽能延长寿命，却因高热导率导致严重热损失；而轻量化多孔材料又普遍存在机械性能与抗渣性下降的瓶颈。这一矛盾成为制约行业绿色发展的关键难题。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地提出通过"相-构协同调控"策略，将自主研发的微孔富铝尖晶石(Mg_0.4
Al_2.4
O₄
)引入Al₂
O₃
-MgO基浇注料体系。该材料具有15%的封闭微孔结构和单相固溶体特征，通过粒子堆积法与纳米溶胶辅助烧结技术制备。研究发现，这种特殊结构使材料在1000℃下的热导率较传统浇注料降低28%，同时高温抗折强度提升47%，热震后强度保留率提高30%，抗渣腐蚀与渗透性能分别优化12.5%和28.6%。相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为破解耐火材料"高隔热-长寿命"不可兼得的行业困境提供了新思路。

关键实验方法

1. 采用行星式球磨（365rpm/30min）混合工业氧化铝与蛇纹石（Al₂
   O₃
   :MgO=9:1），添加玉米淀粉造孔剂和氧化锆溶胶（10%固含量）调控孔隙结构
2. 通过100MPa压制与1780℃/3h烧结工艺制备微孔富铝尖晶石骨料
3. 对比测试传统烧结氧化铝骨料与新型骨料浇注料的物理性能、热导率、高温力学性能及抗渣性

研究结果
Phases and structures
热处理后两种浇注料均呈现轻微膨胀，但微孔富铝尖晶石浇注料在1600℃处理后显气孔率（18.3%）显著低于传统浇注料（22.7%），且闭孔比例达82%，形成有效的热阻隔网络。

Conclusions
微孔结构（<300nm）通过降低固相传热和孔隙对流实现隔热优化；富铝尖晶石相(Mg_0.4
Al_2.4
O₄
)的晶格畸变效应增强机械强度，其化学稳定性则抑制熔渣渗透。这种"孔隙限域+相组成调控"的协同机制使材料综合性能突破传统材料性能天花板。

该研究首次证实通过精确控制尖晶石固溶体组成与微纳孔隙的耦合效应，可实现耐火材料隔热与耐久性的协同提升。相比国际同类研究，其创新性体现在：①突破轻量化材料强度衰减定律；②开发出工业化可行的低温烧结单相尖晶石制备工艺。研究成果已获中国国家自然科学基金（52472032）和湖北省重点基金（2024AFA083）支持，为高温装备轻量化设计提供了关键材料基础，预估可使冶金炉窑能耗降低15%以上。