由于过多的碳含量会使耐火材料抗氧化性降低，并且在高温使用过程中，形成过多的气体，导致热量的损失和结构的多孔化，不利于耐火材料的使用寿命，同时对于低碳钢和洁净钢的生产质量产生不利的影响，所以不少学者研制了低碳耐火材料期望解决碳含量过多导致的不利因素。而碳含量的降低必然会影响到耐火材料的热震稳定性和抗侵蚀能力，而纳米碳材料的引入一定程度上解决了这一问题。

如图1所示，以低碳镁碳耐火材料制品为例，在传统无纳米碳材料存在的低碳镁碳耐火材料制品中，在受到应力冲击时，应力会沿着耐火材料基质中的氧化镁晶粒一侧进行拓展，如图 1(a)所示。

但是如若在低碳镁碳砖中引入纳米碳材料时，当受到机械应力冲击，如图1(b)所示，由于纳米碳材料本身优异的强度和韧性，可以通过桥接和裂纹偏转机理吸收或释放裂纹尖端处的应力，从而提高低碳镁碳耐火材料制品的力学性能、抗断裂韧性以及抗热震性。

Ning Liao 等以多壁碳纳米管作为低碳铝碳耐火材料的碳源，并以硅粉和铝粉作为抗氧化剂，研究了多壁碳纳米管对低碳铝碳耐火材料的常温断裂强度和弹性模量的影响。实验表明当 0.5%的多壁碳纳米管时，800~1 200℃热处理后所有制品的常温断裂强度和弹性模量均有大幅度增加，并达到最大值。而当多壁碳纳米管用量高于1%时，会出现低碳铝碳耐火材料的体积密度有所下降、气孔率上升的现象。究其原因，随着多壁碳纳米管加入量的增加，制品内部多壁碳纳米管不同程度的团聚，造成制品内部应力分散不均匀。

Ming Luo 等以原位合成的方式向铝碳质耐火材料制品中引入多壁碳纳米管，实验表明在 450~ 1 050 ℃时随着热分解温度的升高，镍催化由酚醛树脂形成无定形碳逐渐形成结晶石墨碳，特别是多壁碳纳米管逐渐得到。在800℃、1 000℃、1 200℃、 1 400℃时的冷断裂模量分别提高了40.80%、52.26%、 22.25%、28.14%，而相应的弹性模量提高了20.13%、 23.20%、21.08%、29.60%。

Yawei Li 等以 Ni(NO3)2·6H2O 作为催化剂，利用化学沉淀(CVD)的方法原位合成碳纳米管制备了低碳 Al2O3-C 耐火材料，实验表明通过对低碳 Al2O3- C 耐火材料显微结构分析表征了碳纳米管的生成，同时在低碳Al2O3-C耐火材料中有陶瓷相的生成，低碳Al2O3-C 耐火材料的热震稳定性明显优于空白样，并且热冲击后的残余强度是空白样的2倍。

Ning Liao 等利用 B4C 作为添加剂加入到 Al2O3-C 耐火材料中，原位生成陶瓷相和碳纳米管，并探究了陶瓷相和碳纳米管在 800~1 400℃时对 Al2O3-C 耐火材料制品的力学性能和热震稳定性的影响，实验表明 B4C 有利于树脂黏结剂在 800 ℃高温下的原位热分解生长碳纳米管。此外，B4C 添加剂在1 400℃时抑制 SiC 形成，这归因于 SiO(g)压力降低。与含硅耐火材料相比，剩余的碳纳米管和原位形成的碳纳米管有助于降低材料的脆性，从而提高B4C和含硅Al2O3-C耐火材料的抗热震性能。

H Rastegar等研究添加铁催化酚醛树脂的低碳镁碳耐火材料的相结构演变，以铁催化酚醛树脂为黏结剂的低碳镁碳耐火材料的相组成和显微结构特征。在 800~1 400 ℃温度范围内对固化后的样品进行了焦化处理，根据实验结果，铁催化酚醛树脂在镁碳耐火体基体中逐渐形成原位石墨碳，特别是碳纳米管网络中的石墨碳。同时，通过与含改性酚醛树脂的样品比较，阐明了添加铁催化酚醛树脂黏结剂后，在镁碳样品基体中形成更多的陶瓷晶须，如Al4C3、AlN、MgO 和MgAl2O4，并随结焦温度的升高而显著增加。碳纳米管、陶瓷晶须等石墨碳主要形成于团聚体之间的结合相，这是镁碳耐火材料物理力学性能提高的必然因素。

综合来看，不论是直接加入还是原位生长，低碳耐火材料中用到的纳米碳材料的量是远远少于多碳耐火材料，而原位合成纳米碳材料的途径主要是加入催化剂，催化结合剂酚醛树脂结构重排，最终生长成纳米碳材料。 在催化剂的作用下，有利于耐火材料中形成高温陶瓷相， 如 MgAl2O4、AlN和MgO晶须，进一步的提高耐火材料的力学性能。

在低碳背景下，纳米碳材料对低碳耐火材料的力学性能的研究，主要依据大多为冷断裂模量等常温性能的检测数据，而对高温抗折强度，高温抗压强度，荷重软化温度等高温性能涉及不足，并且考虑不同温度下纳米碳材料对低碳耐火材料性能影响的温度区间过于狭小，大多在 800~1 400℃温度区间内，而像镁碳砖，镁钙砖等耐火材料的使用温度大多在1 400℃以上温度，而上述研究的试验温度并没有涉及到 1 400℃以上温度，对实际使用过程的指导意义尚显不足，所以要针对耐火材料的不同使用温度做相应的针对研究，才能更好的指导耐火材料制品的使用过程。

来源：鑫地耐材