摘    要：为改善刚玉-CA6浇注料的性能，以刚玉、CA6、活性α-Al2O3微粉为主要原料，制备出水合氧化铝结合的刚玉-CA6浇注料，研究了不同聚丙烯纤维加入量（加入质量分数为0~0.16%）对刚玉-CA6浇注料性能的影响。结果表明：1）聚丙烯纤维的加入可使浇注料热膨胀系数减小，但会导致浇注料强度和体积密度有所降低，进而导致其弹性模量减小；2）适量聚丙烯纤维的加入可改善试样抗热震性，但过量的聚丙烯纤维会导致材料内部结构疏松致密度减小，试样热震稳定性反而有所降低；3）聚丙烯纤维加入量为0.08%（w）时，试样抗弹性应变能力（R'''）和断裂韧性均提高至最大，抗折强度保持率达到最高，为53.55%，表现出最佳的抗热震性能。

刚玉质浇注料因兼具抗冲刷性、抗碱性渣侵蚀性和良好的高温力学性能，被广泛应用于转炉钢包渣线以下的工作层[1,2]。随着高温装置炉衬使用工况的日趋复杂和使用寿命的不断提高，人们对刚玉质浇注料高温使用性能的要求越来越高。抗热震性作为刚玉浇注料重要的高温使用性能之一，采用合理的方法提高浇注料抗热震性对刚玉浇注料质量的提高具有重要意义。

近年来，有研究者将CA6作为骨料引入到刚玉质浇注料中，分别替代不同粒度的刚玉骨料，在控制体积稳定性的同时，充分发挥CA6相的增韧效应，提高刚玉质浇注料的抗热震性[3,4]。为进一步探索浇注料抗热震性的提升空间，冯海霞等[5]研究了钢纤维对莫来石质浇注料抗热震性的影响，通过在浇注料内引入第二相钢纤维，利用不同材料热膨胀系数的差异性在内部形成微裂纹以达到改善其抗热震性的目的。结果发现：当引入适量钢纤维时，浇注料断裂韧性和抗裂纹扩展能力随其加入量增加而增加，进而提高了其抗热震性能。但钢纤维具有自重大、易锈蚀、耐久性差的缺点，限制了其应用。聚丙烯纤维由于具有质量轻、强度高、韧性好、耐化学品性和抗微生物性好以及价格低等优点，被广泛应用于浇注料的抗爆裂性能研究中。聚丙烯纤维的防爆机理是浇注料受热后纤维收缩或分解，并同时在浇注料中形成气孔孔道[6]，而纤维气孔的形成有利于在浇注料遭受热冲击时阻断基质中因热应力产生的裂纹扩散，此特点为其改善浇注料的抗热震性提供了可能性，近年来在耐火材料领域有研究者通过人为制造微气孔的方式来提高材料的热震稳定性[7,8,9,10,11,12,13]，但截至目前，利用有机纤维改善浇注料抗热震性方面的研究报道还很少。并且先前关于微气孔改善浇注料抗热震性的研究主要集中于分析气孔率、孔径分布等气孔参数对热震稳定性的影响，未对气孔的形状以及气孔同时作为微裂纹的主要发源地以及阻断长裂纹断裂路径扩展的有效组织对材料抗热震性能的影响进行深入全面研究。

鉴于此，在本研究中，以水合氧化铝结合刚玉-CA6质浇注料为研究对象，通过在浇注料内引入聚丙烯纤维，利用有机纤维造孔增加骨料与基质间裂纹传播路径，使裂纹发生偏转消耗裂纹传播动能，同时阻断材料由于受热应力而产生的长裂纹的扩展，以达到改善材料抗热震性的目的。研究了聚丙烯纤维加入量对刚玉-CA6质浇注料常规物理性能的影响，测量了试样热膨胀系数aa、弹性模量EE、抗折强度保持率K等参数，并结合其显微结构综合分析了聚丙烯纤维对刚玉-CA6质浇注料抗热震性的影响机制，确定聚丙烯纤维加入量的最佳比例，旨在为聚丙烯纤维改善刚玉-CA6质浇注料抗热震性提供理论依据。

1 试验

1.1 试样原料

试验用原料为：电熔白刚玉颗粒（3~1 mm、≤1 mm）及细粉（≤0.045 mm），ω（Al2O3）≥99.4%；CA6颗粒（3~1 mm、≤1 mm）及细粉（≤0.074 mm），w（Al2O3）≥90%，w（CaO）≥8.5%；活性α-Al2O3微粉（d50=1.8 μm，w（Al2O3）≥99.6%）；水合氧化铝（ρ-Al2O3，d50≤0.074 mm，w（Al2O3）>99.10%）；PC60减水剂以及外加聚丙烯纤维（密度为0.09~0.92 g·cm-3,熔点为165~173 ℃，长度为1.5~200 mm）。骨料和基质以质量比68∶32进行制备，试验配比见表1。聚丙烯纤维加入量（w）为0、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%的试样依次标记为试样A0、试样A4、试样A8、试样A12和试样A16。

表1 试验配比

1.2 试样制备及性能检测

按试验配比称料，将原料在水泥砂浆搅拌机上预混2 min，加水搅拌（控制振动流动值为180~200 mm）湿混3 min，振动浇注成型为40 mm × 40 mm × 160 mm的条状试样，经24 h自然养护后于60 ℃烘24 h，再经1 550 ℃保温4 h热处理。

按GB/T 2997－2015检测试样的体积密度和显气孔率；按GB/T 3001－2017检测试样的常温抗折强度；按GB/T 5072－2008检测试样的常温耐压强度；按GB/T 7320－2008检测试样热膨胀系数（室温至1400 ℃）；按GB/T 30758－2014检测试样的弹性模量；按GB/T 30873－2014，采用空气急冷法进行抗热震试验，将试样在1 100 ℃保温15 min，风冷至室温，循环3次，检测试样的常温抗折强度，并计算其强度保持率，以表征试样抗热震性。

2 结果与讨论

2.1 常温物理性能

图1为不同聚丙烯纤维加入量对试样常温物理性能的影响。由图1可见，随着聚丙烯纤维加入量的增加，试样体积密度呈减小趋势，显气孔率呈增大趋势,试样常温抗折强度及常温耐压强度均呈先减小后小幅增大的变化趋势，且相比于空白试样，强度有不同程度的下降（见图1（c）和图1（d）。这是因为随着聚丙烯纤维加入量的增加，成型时所需加水量逐渐增加，纤维受热分解造孔使试样内部纤维孔增多，导致试样体积密度减小，显气孔率增大，且添加聚丙烯纤维的试样沿骨料与基质间裂纹增多，结构疏松，致密度降低导致其常温抗折以及耐压强度相比于空白试样有不同程度的降低，但因聚丙烯纤维加入量较小（最大量为0.16%），试样体积密度和显气孔率总体变化较小，试样体积密度在2.80~2.91 g·cm-3，显气孔率在24.5%~26.4%波动变化。热震试验之后，因材料内部裂纹数量增多结构变得更加疏松，表现为试样的体积密度较热震前下降（见图1（b）），显气孔率增加（见图1（c））。

图1 不同聚丙烯纤维加入量对试样常温物理性能的影响   

2.2 热膨胀系数

图2示出了不同聚丙烯纤维加入量下试样平均热膨胀系数与温度的关系，由图中可以看出，随着温度的升高，试样平均热膨胀系数均呈上升趋势，且在高温阶段（＞800 ℃），随着聚丙烯纤维加入量的增加，试样的平均热膨胀系数逐渐降低。分析其原因：一方面随着聚丙烯纤维加入量的增多，试样成型需水量越来越高，同时伴有纤维气孔的产生，试样基质内小孔的数量逐渐较少，纤维大孔的数量逐渐增加，由于受热引起的膨胀会向孔隙方向扩张，从而使宏观上热膨胀量减小；另一方面，如图3所示为A0试样（未添加聚丙烯纤维）和A8试样（聚丙烯纤维加入质量分数为0.08%）1 550 ℃烧后的显微结构照片，由图可知，随着聚丙烯纤维加入量的增多，试样中沿基质与骨料之间裂纹缝隙变大，对试样烧结过程中体积变化的缓冲作用变大，试样体积稳定性提高，热膨胀系数降低。

图2 不同聚丙烯纤维加入量下试样的平均热膨胀系数与温度的关系  

图3 试样的显微结构照片   

2.3 弹性模量

试样弹性模量随聚丙烯纤维加入量的变化见图4。由图4可知，随着聚丙烯纤维加入量的增多，试样弹性模量呈降低趋势，这与试样显气孔率变化趋势相反（见图1b）。这是由于随着聚丙烯纤维加入量的增多，试样内部原生气孔和纤维气孔大量增多，材料在发生应力应变时，裂纹扩展遇到气孔路径曲折，使材料的弹性模量降低[14]。

图4 试样的弹性模量  

2.4 抗热震性

添加不同含量聚丙烯纤维试样的常温抗折强度及抗折强度保持率见图5。由图可知，随着聚丙烯纤维加入量的增加，试样抗热震性呈先上升后降低再小幅上升的趋势。

图5 试样热震前后的常温抗折强度及抗折强度保持率   

依据Hasselman提出的断裂发生和裂纹扩展统一理论[15]，提高材料抗弹性应变能力（以R'''R'''数值表征），降低热膨胀系数，有利于提高材料抗热震性能。抗弹性应变能力（R'''R'''）计算公式如下：式中，σfσf为材料的断裂强度（用抗折强度表示），MPa；EE为弹性模量，GPa；vv为泊松比（取0.15）。按式1计算各试样的R'''R'''，结果如表2所示。试样A8的R'''R'''最大，为0.41，其他试样R'''R'''值在0.32~0.34小幅度变化。相比于空白试样，试样A4（聚丙烯纤维加入质量分数为0.04%）的热膨胀系数小幅降低（见图2），R'''R'''基本不变，因此试样A4抗热震性能有所提高；随着聚丙烯纤维加入量的提高，试样A8（聚丙烯纤维加入质量分数为0.08%）的热膨胀系数继续小幅降低，同时材料抗弹性应变能力显著增大，因此试样A8抗热震性能显著提高，残余抗折强度保持率提高至53.55%；当聚丙烯纤维加入量继续增加至0.12%（w）时（试样A12），虽然试样的热膨胀系数仍有所降低，但R'''R'''显著降低（＜试样A0的），因此试样A12的抗热震性能相比于A8明显降低，但仍大于试样A0的；当聚丙烯纤维加入量增至0.16%（w）时（试样A16），试样热膨胀系数继续小幅降低，同时R'''R'''与试样A12的相当，所以此时试样的抗热震性能相比A12有小幅提高，但仍低于A8的，与A4基本保持一致。

表2 各试样的R'''R'''值 

图6为试样A0、试样A8、试样A16经3次循环热震后的SEM照片。分析认为：1）当未加入聚丙烯纤维时，试样A0中（见图6（a））裂纹多从基质延伸扩展，由于没有纤维孔或气孔等缺陷的缓冲作用，基质中的裂纹在热应力作用下不断扩展，裂纹长度延长直至完全消耗热应力的能量，所以经热震后试样内部多为在基质中延展的长裂纹，且裂纹扩展路径较为单一，造成裂纹数量过多且尺寸过大，降低了材料之间的结合性能，导致材料抗热震性较差。2）当加入0.08%（w）聚丙烯纤维时，试样A8沿骨料与基质之间多出现裂纹且纤维受热分解造孔形成较多纤维孔（见图6（b）），纤维孔和微裂纹均有利于缓解试样热震过程中所受热应力，改善试样抗热震性。纤维孔对试样抗热震性的改善主要通过以下两种方式：其一为部分纤维孔通过阻断试样中沿骨料与基质扩展趋势的裂纹（见图6（b）、图6（c）），增加裂纹的传播路径，使裂纹发生偏转，裂纹的分叉效应消耗了裂纹传播动能，从而提高了试样的断裂韧性[16]；其二为部分纤维孔通过阻断试样中沿基质扩展趋势的裂纹（见图6（d）、图6（e）），阻止了裂纹在热应力作用下的不断扩展，缩短了裂纹长度，避免因基质中裂纹尺寸过大降低材料之间结合强度，提高试样的断裂韧性，进而达到改善试样抗热震性能的效果。3）当加入0.16%（w）聚丙烯纤维时，试样中会出现超大气孔和大尺寸裂纹缺陷（见图6（f）），试样结构疏松，致密度降低，导致材料间的结合强度下降，使试样热震稳定性有所降低。

图6 不同聚丙烯纤维加入量试样3次循环热震后的SEM照片   

3 结论

1）添加少量聚丙烯纤维，可降低刚玉-CA6浇注料的热膨胀系数，但会导致浇注料内部气孔孔径增大，体积密度减小，常温抗折和常温耐压强度以及致密度有所降低，同时显气孔率的增大也会造成浇注料的弹性模量减小。适量聚丙烯纤维的加入可改善刚玉-CA6浇注料抗热震性能，但过量聚丙烯纤维的加入会导致浇注料结构疏松致密度减小，材料间结合强度减弱，导致其热震稳定性变差。

2）当聚丙烯纤维加入量为0.08%（w）时，试样的体积密度为2.88g·cm-3、显气孔率为25.93%、常温抗折强度为14.10 MPa、常温耐压强度为49.64 MPa，试样抗弹性应变能力和断裂韧性均提高至最大，抗折强度保持率达到最高，为53.55%，表现出最佳的抗热震性。

来源：中国知网