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隨著我國冶金鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，對(duì)于耐火材料的要求也逐漸提高，傳統(tǒng)耐火材料已經(jīng)逐漸不能滿足時(shí)代發(fā)展的需求，亟需開發(fā)出新的耐火材料。融合金屬和高技術(shù)陶瓷研究的最新研究成果，采用新的原料添加到原有的耐火材料體系中，從而發(fā)展出新型的金屬-非氧化物-氧化物復(fù)合耐火材料，這種將金屬和高技術(shù)陶瓷結(jié)合的材料將是耐火材料未來極具發(fā)展前景的領(lǐng)域，如金屬和金屬間化合物原料(金屬Al、金屬Si、硅鐵合金等)、非氧化物原料(Si3N4 和氮化硅鐵)。此外氧化物原料(Al2O3-SiO2 系原料、"三石")的應(yīng)用也有了新的進(jìn)展。上述新型耐火原料的應(yīng)用，不僅滿足耐火材料高性能、低能耗、低成本、無污染的生產(chǎn)需求，并且有助于提高耐火材料的使用壽命。
1. 金屬原料
在非氧化物或者非氧化物氧化物復(fù)合材料體系中，Si3N4-SiC 磚，以及后來以β-sialon 作為結(jié)合相的材料，包括Sialon-SiC 磚、β-sialon -Al2O3 復(fù)合材料、β-Sialon -Al2O3-SiC 復(fù)合材料，以及MgAlON 為結(jié)合相的材料，包括MgAlON -Al2O3復(fù)合材料以及β-Sialon –MgAlON 復(fù)合材料，是由金屬鋁粉在相應(yīng)氣氛下形成Al2O3 或AlN；或者添加金屬硅粉在氮化氣氛下形成Si3N4，制取的相應(yīng)材料或在高溫和適當(dāng)氣氛
下與其他原料反應(yīng)進(jìn)一步反應(yīng)形成β-sialon(如圖1)或MgAlON 材料甚至兩者的復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，該過程的實(shí)質(zhì)是將金屬作為過渡相，在反應(yīng)條件下轉(zhuǎn)變成預(yù)想的化合物，從而獲得性能較好的SiC、Si3N4、Sialon 結(jié)合氧化物或非氧化物材料。
金屬原料(金屬Al、Si、硅鐵合金等)不僅可以起到過渡相的作用，還能使耐火材料兼具金屬的某些特性。洪彥若將這種在無機(jī)化合物中添加金屬原料的工藝稱為“塑性相成型”工藝。
金屬作為一個(gè)組元復(fù)合于耐火材料中，是耐火材料制備工藝上的一種突破，制得的金屬-氧化物-非氧化物體系材料也是耐火材料體系上的創(chuàng)新。該工藝有許多優(yōu)點(diǎn)，金屬在適當(dāng)?shù)臍夥障滦纬苫衔锸鼓突鸩牧霞婢哂心承┙饘俚乃苄蕴匦裕瑥亩纳颇突鸩牧系拇嘈裕绕涫菍?duì)于抗熱震性以及高溫抗折性有較大貢獻(xiàn)。塑性相工藝不僅能在試樣成型時(shí)對(duì)磚坯密度有提高的作用，在燒結(jié)過程中，低熔點(diǎn)的金屬會(huì)起著促燒的作用，降低氣孔率，促進(jìn)致密化和反應(yīng)進(jìn)行。此外，在使用過程中，金屬的存在使得金屬能優(yōu)先與鋼水或者熔渣中的化合物反應(yīng)，或者在高溫下優(yōu)先氧化，起到保護(hù)其他物相作用，并且在表面形成保護(hù)膜，起到“自修復(fù)”作用。
1.1 金屬Al
在氧化物-非氧化物復(fù)合材料體系中添加金屬，高溫?zé)Y(jié)過程中可得到結(jié)合相或增強(qiáng)相，對(duì)材料的性能起著改善的作用。由于金屬Al 熔點(diǎn)較低(660℃)，在相對(duì)較低的溫度下即可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成AlN、Al4C3 或者Sialon、AlON、MgAlON、Al2OC 和Al4O4C等結(jié)合相或者增強(qiáng)相化合物，因此常常將金屬Al 作為添加劑添加到耐火材料中。在上述化合物中AlN 和Al4C3易產(chǎn)生水化現(xiàn)象，影響制品使用性能，通常會(huì)控制實(shí)驗(yàn)條件將
Al 元素固定到其他化合物中，避免制品中出現(xiàn)過多AlN 和Al4C3。
田守信等報(bào)道過在鋁碳轉(zhuǎn)中添加金屬Al，轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)相的結(jié)果。洪彥若于2003年報(bào)道了在氧化鎂-尖晶石-碳磚中添加金屬Al 作為過渡塑性相。研究表明Al 在燒結(jié)過程中可以起著助燒劑的作用。由于其熔點(diǎn)較低，在1300℃下發(fā)生液相燒結(jié)，使得材料更加致密，具有更高的高溫抗折強(qiáng)度。洪彥若[1]在鎂鋁碳材料中添加金屬Al，采用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為50%的鋁礬土(1~5μm)、13%的鋁礬土(≤1μm)、10.5%的煅燒氧化鎂、8.1%的
MgAl2O4 尖晶石粉、7.5%的Al2O3、1.95%的SiC 粉、1.95%的金屬Al 粉、7%的石墨以及4~4.5%的樹脂作為原料制備Al2O3-MgO-C 磚，燒結(jié)過程中發(fā)生了如下的反應(yīng)，成功制備出MgAlON 材料。
5Al(l)+9Al2O3(s)+5/2N2 (g)+ xMgO(s) = Al23O27N5 . xMgO(s)
大量研究表明，添加金屬鋁，可以促進(jìn)β-sialon 在相對(duì)較低的條件下形成。魏從軍等在剛玉-氮化硅體系中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.5%金屬Al，有效降低了坯體顯氣孔率，增加了體積密度。燒結(jié)后Al 發(fā)生原位氧化，減低了樣品內(nèi)部的氧分壓；殘留的部分Al在燒結(jié)過程中生成中間產(chǎn)物，促進(jìn)了燒結(jié)反應(yīng)的進(jìn)行。李勇等于2013 年采用金屬Al和Al2O3 作為原料制備Al-Al2O3 復(fù)合滑板，結(jié)果表明在燒結(jié)過程中生成了Al2OC 和Al4O4C等增強(qiáng)相，以板片狀和柱狀穿插在基質(zhì)中，提高了材料的強(qiáng)度；游離態(tài)金屬Al 填充于基質(zhì)的間隙和氣孔中，提高材料的韌性和抗熱震性能。
4Al(l)+2C(s)+O2(g)=2Al2OC(s)
4Al(l)+C(s)+2O2(g)= Al4O4C(s)
2Al(l)+N2(g)=2AlN
李改葉采用金屬鋁粉作為添加劑改善了Al2O3-SiC 材料的性能，當(dāng)金屬Al 含量為18%時(shí)，1100℃保溫3h 后，試樣的顯氣孔率最低達(dá)到17%，體積密度達(dá)到3.05 g/cm 3，常溫耐壓強(qiáng)度達(dá)到140MPa，常溫抗折強(qiáng)度達(dá)到28MPa。