1.1　耐火材料的组成、结构

耐火材料一般是由多种不同的化学成分和矿物组成构成的非均质体。它的各种性质不仅取决于它的化学成分，而且更依赖于其中的物相组成、分布及各相的特性，即取决于制品的化学、矿物组成。因此，需要首先对耐火材料的化学成分、矿物组成及显微结构进行描述。

1.1.1　化学、矿物组成

1.1.1.1　化学组成

化学组成即化学成分，是耐火材料最基本的特征之一。耐火材料的主要功能是抵抗高温作用，因此它主要由熔点较高的化合物组成，实际应用较多的是硼、碳、氮、氧的化合物，据此可把耐火材料分为氧化物耐火材料和非氧化物耐火材料两大类。常见的氧化物与复合氧化物及其熔点示于图1-1和表1-1中。常见的非氧化物及其熔点见图1-2和表1-2。

耐火材料往往是非均质体，有主副成分之分。通常将其基本成分称为主成分，而其他部分称为副成分。副成分又分为添加成分和杂质成分，添加成分是有意添加以提高制品某方面性能的成分，而杂质成分则是无意或不得已带入的无益或有害成分。

主成分通常是高熔点耐火氧化物及其复合氧化物或非氧化物的一种或几种。它是耐火制品的主体，是直接决定耐火制品性能的基础条件。它的性质和数量对耐火材料的性能起决定作用。

添加成分则往往是为弥补主成分在使用性能、生产性能或作业性能等某方面的不足而使用的，通常有结合剂、矿化剂、稳定剂、烧结剂、减水剂、抗水化剂、抗氧化剂、促凝剂和膨胀剂等。它们可能为氧化物，也可能是非氧化物；可能是有机物，也可能是无机物。总之，品种繁多，是当前耐火材料研究的重点之一。它们的特点是：加入量很少，甚至是极微；能明显改善耐火制品的某种功能或特性；对该制品的主性能无严重影响。

杂质成分则是指由于原料纯度有限而被带入或生产过程中混入的对耐火制品性能具有不良影响的部分。一般来说，K2O、Na2O及FeO、Fe2O3都是有害杂质。另外，酸性耐火材料中的碱性成分及碱性耐火材料中的酸性成分均是有害杂质。它们在高温下具有强烈的熔剂作用，使得共熔液相的生成温度降低，生成量增多，而且随着温度的升高液相生成量的增加速度加快，从而严重影响耐火制品的高温性能。

1.1.1.2　矿物组成

耐火材料在化学成分固定的前提条件下，由于成分分布的均匀性和加工工艺的不同，使制品中的矿物种类、数量、晶粒大小和结合状态不同，这种微观结构的不同，造成制品性能的差异。例如，SiO2含量相同的硅质制品，因SiO2在不同工艺条件下可形成结构和性质不同的两种矿物——鳞石英和方石英，使其制品的某些性能会有差异。即使制品的矿物组成一定，随晶粒大小、形状和分布情况的不同，亦会对制品的性能有着显著影响。因此，耐火材料的矿物组成也是决定其性能的主要因素。

耐火材料的矿物组成一般分为主晶相和基质两大类。主晶相是指构成制品结构的主体且熔点较高的晶相，主晶相的性质、数量和结合状态直接决定着耐火材料的性能。除要选择熔点较高的化合物或单质外，还希望它们的晶体发育充分、完好，真正发挥主晶相的耐火性能。基质是在耐火制品主晶相之间填充的结晶矿物或玻璃相，其数量不大，但成分、结构复杂，作用明显，往往对制品的某些性能有着决定性的影响。在使用的过程中，基质往往首先破坏，调整和改变基质可以改善材料的使用性能。

硅酸铝系耐火材料中基质多以玻璃相形式胶结主晶相的晶体颗粒，碱性耐火材料的基质多以细微晶体的形式连接主晶相晶体。最近发展起来的直接结合砖，其基质已经不再作为高温结合相，它们存在于互相连接的主晶相的小孔隙中，只是在烧结前发挥它们的熔剂作用。

1.1.2　显微结构

耐火材料的组织结构分为宏观组织结构和微观组织结构。耐火材料的宏观组织结构是指肉眼所能看到的形貌特征。微观组织结构是指在显微镜下能观察到的结构，主要包括耐火材料中相的数量、形状、大小、分布及它们之间的相互关系。耐火材料的显微结构与多晶陶瓷相似，但要比多晶陶瓷复杂。最大的区别在于耐火材料结构中除了含有不同的物相外，还有粒度不同的颗粒以及气孔存在，不像多晶陶瓷那样比较均匀。因此耐火材料显微结构组成单元包括颗粒、气孔和结合相，如图1-3所示。其中颗粒在耐火材料的制造过程中以颗粒料的形式加入，并且有不同的尺寸。颗粒料通常是原料经过高温煅烧后破粉碎得到的，在耐火材料的制备中已经很稳定，形状和尺寸保持不变。但其也是由一种以上的晶相、气相与玻璃相组成。

结合相是存在于颗粒之间的各物相的总称，它是由配料中加入的多种细粉、结合剂与添加剂通过烧成或者其他处理后得到的。它的里面既有微小的晶粒，又有玻璃相和气孔。结合相或胶结在颗粒相的周围，或处于直接结合的颗粒形成的气孔中。其组成与存在形式影响着耐火材料的各项性能。

除颗粒和结合相外，耐火材料中还存在许多气孔，这些气孔既存在于颗粒中，也存在于结合相中。分为开口气孔和闭口气孔。气孔的存在是耐火材料不同于其他结构陶瓷的另一个特征，一定量气孔的存在有利于耐火材料热震性的提高，同时气孔的数量和存在形式对耐火材料的力学、热学以及高温使用性能均有影响。