耐火材料是一类无机非金属材料，具有出色的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗老化等特性，能够在高温环境下保持结构稳定性，不易出现受热氧化、膨胀等影响。耐火材料广泛应用于冶金、化工、建筑、能源等工业领域，是现代工业中不可或缺的重要材料之一。在舰船领域，耐火材料主要应用于锅炉内衬、烟道、防火分隔等高温热力设备中。舰船航行过程中会面临各种复杂环境，因此耐火材料还需具备良好的抗热冲击性和结构稳定性，其在舰船上的应用是保障舰艇动力系统稳定运行、提高舰船在航率的关键。《舰船耐火材料》深入总结作者团队20余年来在舰船耐火材料领域的研究成果，系统阐述舰船耐火材料的应用和需求、舰船耐火材料体系组成及制备工艺、典型舰船耐火材料的失效分析与寿命预测、舰船耐火材料的未来发展方向等内容。

目录
第1章 绪论 1
1.1 传统耐火材料的概况 1
1.1.1 耐火材料的分类方式 1
1.1.2 耐火材料的性能表征 5
1.1.3 耐火材料的应用 13
1.2 舰船耐火材料的概况 14
1.2.1 舰船耐火材料的应用特点 15
1.2.2 舰船耐火材料的发展历史 16
1.3 舰用新型耐火材料的研究现状 17
1.3.1 隔热-耐火一体化材料 17
1.3.2 高抗热震耐火材料 18
参考文献 19
第2章 舰用莫来石基耐火材料 20
2.1 氧化物耐火材料的分类 20
2.1.1 氧化硅耐火材料 21
2.1.2 氧化镁耐火材料 23
2.1.3 氧化铝耐火材料 24
2.1.4 其他氧化物耐火材料 25
2.2 莫来石基多孔陶瓷的特点与研究概况 26
2.2.1 莫来石陶瓷的基本物性 26
2.2.2 莫来石基多孔陶瓷的类型 28
2.3 莫来石基多孔陶瓷制备过程中的影响因素 30
2.3.1 蛋白粉含量的影响 31
2.3.2 固相含量的影响 33
2.3.3 空心球粒径的影响 34
2.3.4 空心球含量的影响 38
2.3.5 烧结温度的影响 40
2.3.6 晶须改性的影响 43
2.4 3D打印莫来石基多孔陶瓷 47
2.4.1 莫来石基多孔陶瓷的3D打印工艺 47
2.4.2 3D打印莫来石基多孔陶瓷的结构 52
2.4.3 3D打印莫来石基多孔陶瓷的性能 56
参考文献 59
第3章 舰用氮化硅基耐火材料 63
3.1 氮化物耐火材料的分类 63
3.1.1 氮化硅 64
3.1.2 氮化硼 69
3.1.3 氮氧化硅 69
3.1.4 其他含氮化合物耐火材料 71
3.2 轻质泡沫陶瓷的制备方法 73
3.2.1 冷冻干燥法 74
3.2.2 直接发泡法 74
3.2.3 添加造孔剂法 75
3.2.4 有机泡沫浸渍法 76
3.2.5 3D 打印法 77
3.3 轻质氮化硅泡沫陶瓷制备过程中的影响因素 78
3.3.1 蛋白粉含量的影响 79
3.3.2 固相体积分数的影响 81
3.3.3 搅拌方式及搅拌速度的影响 82
3.3.4 气氛压力的影响 84
3.3.5 烧结条件的影响 86
3.4 轻质氮化硅泡沫陶瓷的力学增强 91
3.4.1 泡沫陶瓷力学性能增强的典型措施 92
3.4.2 原位生长纳米线增强氮化硅泡沫陶瓷 96
3.4.3 致密壳层增强氮化硅泡沫陶瓷 104
参考文献 111
第4章 舰用碳化硅基耐火材料 117
4.1 碳化物耐火材料 117
4.1.1 碳化物耐火材料简介 117
4.1.2 碳化物耐火材料的制备工艺 118
4.1.3 典型碳化物耐火材料的性质及研究进展 120
4.1.4 舰用碳化硅基耐火材料简介及其应用 125
4.2 碳化硅结合氮化硅耐火陶瓷的配方技术 126
4.2.1 配方优化技术要求 127
4.2.2 颗粒级配优化 128
4.2.3 添加剂优化 129
4.2.4 固化剂优化 132
4.2.5 催化剂优化 134
4.3 碳化硅结合氮化硅耐火陶瓷的制备工艺 134
4.3.1 制备工艺流程 135
4.3.2 成型过程中的工艺优化 136
4.3.3 烧结过程中的工艺优化 142
4.4 碳化硅结合氮化硅耐火陶瓷的抗氧化性能 145
4.4.1 含硼化合物的引入 145
4.4.2 硅溶胶浸渍处理 147
4.4.3 红柱石结合相的引入 150
参考文献 154
第5章 舰船耐火材料的失效分析与寿命预测 158
5.1 耐火材料的失效分析与寿命预测概述 158
5.1.1 耐火材料热冲击失效的研究进展 158
5.1.2 耐火材料寿命预测的研究进展 161
5.2 耐火材料的细观结构模型及数值计算模型 161
5.2.1 颗粒增强复合材料细观建模方法的研究概况 162
5.2.2 泰森图及其改进 165
5.2.3 SiC耐火陶瓷的三维细观结构模型 172
5.2.4 SiC耐火陶瓷的数值计算模型 179
5.3 耐火材料的宏观等效失效准则 188
5.3.1 数值计算方案设计与物性参数 188
5.3.2 SiC耐火陶瓷宏观等效失效准则的获取 190
5.4 失效参数对耐火材料热冲击失效的影响 199
5.4.1 基于宏观等效失效准则的热冲击失效分析 200
5.4.2 基于数值计算的热冲击失效分析 206
5.4.3 热冲击失效分析结果对比 215
5.5 耐火材料的寿命预测 218
5.5.1 失效判据 218
5.5.2 寿命预测 222
参考文献 227
第6章 舰船耐火材料的发展方向 233
6.1 舰船耐火材料当前面临的问题 233
6.1.1 降低成本 233
6.1.2 寿命延长 234
6.1.3 热修补技术 234
6.2 舰船耐火材料发展展望 235
6.2.1 多功能一体化 235
6.2.2 制备工艺改进 236
6.2.3 异形件的增材制造 237
参考文献 238

**章绪论
　　耐火材料的历史可以追溯到古代，自青铜时代起，人们就尝试通过使用耐火材料以利用热量来制造材料，因此*初耐火材料是一种赋能材料，其主要功能是促进其他材料的生产，如金属、玻璃、石化产品和水泥等。炼铁和炼钢的反应炉需要耐火材料，随着工业革命的推进，高炉、焦炉、热风炉等工业设备广泛应用，显著提升了市场对耐火材料的需求量。如果没有耐火材料，过去100年的部分科学技术发展不会发生[1]。
　　1.1传统耐火材料的概况
　　耐火材料是指物理和化学性质适宜在髙温环境下使用的无机非金属材料，但不排除某些产品中含有一定量的金属材料，是冶金、水泥、玻璃、陶瓷、机械、动力及石油化工等工业的重要基础材料。尽管各国对耐火材料的定义不尽相同，但有一点是相同的，即耐火材料可用作高温窑、炉或高温容器等热工设备的内衬结构材料，也可用作高温装置中的元件、部件等，它应该具有优异的耐高温性能、一定的高温力学性能、良好的体积稳定性及抗侵蚀性能等。
　　1.1.1耐火材料的分类方式
　　1.矿物组成分类
　　1）硅质耐火材料
　　Si02含量超过90%的材料通常称为硅质耐火材料，主要包括硅砖及熔融石英制品。硅砖以硅石为主要原料生产，其Si02含量一般不低于93%，主要矿物组成为鳞石英和方石英，既可以为定形耐火材料，也可以为不定形耐火材料。该耐火材料具有热导率高、荷重软化点高及抗酸性渣侵蚀能力强等优点，但其*大的缺点是抗热震稳定性较差。因此，该耐火材料主要用作焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉及其他热工设备的结构材料。
　　2）硅酸铝质耐火材料
　　桂酸银质耐火材料是由A1203、Si02及少量杂质所组成的，按耐火材料中的A1203含量不同可分为半硅质耐火材料（A1203质量分数为15%～30%）、黏土质耐火材料（A1203质量分数为30%～48%）和髙铝质耐火材料（A1203质量分数>48%）。
　　硅酸铝质耐火材料具有质量轻、热稳定性和保温性能好等优点，但其开始变形温度为1400°C。因此，铝硅酸盐耐火材料在冶金行业一般用作保温材料，不用于工作层[2]。
　　3）镁质耐火材料
　　镁质耐火材料是指以镁砂为主要原料，以方镁石为主晶相，MgO含量大于80%的碱性耐火材料。受镁质原料成分的影响，镁质耐火材料主要组分为MgO、FeO、Fe203>A1203、Si02、CaO、Cr203。MgO的熔点高达2800°C，镁质耐火材料的耐火度达到2000°C，因此镁质耐火材料具有良好的耐高温性能。镁质耐火材料包括镁砖、镁橄榄石质耐火材料、镁铝尖晶石质耐火材料、镁铬质耐火材料、白玉石质耐火材料。其中，镁铬质耐火材料是由镁砂和铬铁矿制成的，并且以镁砂为主要组分。与传统镁砖相比，镁铬质耐火材料热稳定性更强，广泛应用于有色冶炼炉。但六价铬对环境和人体健康有严重危害，特别是会对水造成严重污染，因此在生产和制作过程中，需严格控制碱性介质和氧分压。
　　4）白云石质耐火材料
　　白云石质耐火材料以白云石为主要原料、MgO和CaO为主要成分的碱性耐火材料，其中CaO的质量分数为40%～60%，MgO的质量分数为30%～40%，二者之和一般大于90%。白云石质耐火材料的耐火温度在1780°C以上，0.2乂?&荷重软化开始温度为1550°(：，由此可见，其具有较好的高温稳定性。白云石质耐火材料属于强碱性耐火材料，对碱性渣具有较强的抗渣性，但对酸性渣的抗渣性较差。因此，该耐火材料主要用于平炉炉墙和炉底、回转窑烧成带等。
　　5）刚玉尖晶石质耐火材料
　　刚玉主晶相为ot-Al203，具有硬度大、耐磨性好、强度高的特点，有较好的抗酸性渣侵蚀和渗透的能力，可以与许多氧化物和非氧化物相复合，从而提高自身的一些性能，如抗热震性、抗渣（酸性或碱性）侵蚀性等。例如，与Si02复合形成刚玉莫来石质耐火材料，与MgO复合形成刚玉-尖晶石质耐火材料等。
　　尖晶石矿物具有类质同象的特征，品种很多，成分也比较复杂，目前，在各工业国家中，作为炼钢用感应电炉炉衬材料的，主要是镁铝尖晶石（Mg(>Al203），通常称为尖晶石。纯镁铝尖晶石中，MgO质量分数只不过是28.2%，但仍属于碱性耐火材料。镁铝尖晶石系材料的耐火度高，热膨胀系数小，高温下的热稳定性好、抗碱性炉渣侵蚀的能力强[3]。
　　6）碳质耐火材料
　　碳质耐火材料又称含碳耐火材料，是以两种或两种以上不同性质的耐火氧化物（MgO、CaO、A1203、Zr02等）和碳素材料及非氧化物材料为原料，将碳素材料作为结合剂而制成的一种多相复合耐火材料。碳质耐火材料的耐火度高、导热性和导电性均好，荷重变形温度和高温强度优异，抗渣性和抗热震性都比其他耐火材料好，但这一类制品都有易氧化的缺点。因此，碳质耐火材料主要用于冶炼不锈钢、纯净钢及低硫钢等优质钢种领域。
　　7）锆质耐火材料
　　错质耐火材料是指以氧化锆（Zr02）、锆英石等含锆材料为原料生产的耐火材料，通常包括锆英石制品、锆莫来石制品、锆刚玉制品等。锆质耐火材料制品具有良好的高温稳定性和化学惰性，能够耐受高温溶融物质的长时间侵蚀和腐蚀。这类材料广泛应用于玻璃窑炉、钢铁冶炼等领域。
　　8）其他耐火材料
　　特殊场合应用的耐火材料有高温氧化物材料，如氧化铝、氧化镧、氧化铍、氧化齊、氧化锆等；难溶化合物材料，如碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和硫化物等；髙温复合材料，主要有金属陶瓷、高温无机涂层和纤维增强陶瓷等。
　　按化学矿物组成分类可以直接表征各种耐火材料的基本组成和特性，这种分类法在生产、使用、科研上是常见的分类法，也是目前应用*广泛的分类方法。
　　2.化学属性分类
　　化学属性对了解耐火材料的化学性质，判断耐火材料在实际使用过程中与接触物之间的化学作用情况具有重要意义。耐火材料在使用过程中除承受高温作用外，往往伴随着熔渣（液态）及气体等化学侵蚀。为了保证耐火材料在使用中有足够的抵抗侵蚀介质侵蚀的能力，选用的耐火材料的化学属性应与侵蚀介质的化学属性相同或接近。耐火材料按化学属性大致可分为酸性耐火材料、中性耐火材料、碱性耐火材料三类。
　　1）酸性耐火材料
　　酸性耐火材料是指以別02为主要成分的耐火材料，在高温下易与碱性耐火材料、碱性渣、高铝质耐火材料或含碱的化合物发生化学反应。硅砖是典型的酸性耐火材料，此外还有半硅砖、黏土制品、锆英石制品等，其中用量较大的有硅砖和黏土砖。硅砖是含93%以上Si02的硅质制品，使用的原料有硅石、废硅砖等。硅砖抗酸性炉渣侵蚀能力强，但易受碱性渣的侵蚀，它的荷重软化温度很高，接近其耐火度，重复煅烧后其体积不收缩，甚至略有膨胀，但是抗热震性差。硅砖主要用于焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉等热工设备。黏土砖中含30%～46%氧化铝，它以耐火黏土为主要原料，耐火度达1580～1770°C，抗热震性好，属于弱酸性耐火材料，对酸性炉渣有抗蚀性，用途广泛，是生产量*大的一类耐火材料。
　　2）中性耐火材料
　　中性耐火材料按严格意义讲是指碳质耐火材料。但通常也将以三价氧化物为主体的高铝质、刚玉质、锆刚玉质、铬质耐火材料归入中性耐火材料（两性氧化物如A1203、Cr203等）。这类耐火材料在高温状况下对酸、碱性介质的化学侵蚀都具有一定的稳定性，尤其对弱酸、弱碱的侵蚀具有较好的抵抗能力。
　　高铝质制品中的主晶相是莫来石和刚玉，刚玉的含量随着氧化铝含量的增加而增加，含氧化铝95%以上的刚玉制品是一种用途较广的优质耐火材料。铬砖主要以铬矿为原料制成，其主晶相是铬铁矿。它对钢渣的耐蚀性好，但抗热震性差，高温荷重变形温度较低。用铬矿和镁砂按不同比例制成的铬镁砖抗热震性好，主要用作碱性平炉顶砖。
　　碳质制品是另一类中性耐火材料，根据含碳原料的成分和制品的矿物组成，分为碳砖、石墨制品和碳化硅质制品三类。碳砖是以高品位的石油焦为原料，加焦油、沥青作黏合剂，在1300°C隔绝空气条件下烧成的。石墨制品（除天然石墨外）用碳质材料在电炉中经2500～2800°C石墨化处理制得。碳化硅质制品则以碳化硅为原料，加黏土、氧化硅等黏合剂在1350～1400°C烧成。也可以将碳化硅加硅粉在电炉中氮气气氛下制成氮化硅_碳化硅制品。碳质制品的热膨胀系数很低，导热性高，耐热震性能好，高温强度高，在高温下长期使用也不软化，不受任何酸碱的侵蚀，有良好的抗盐性能，且不受金属和熔渣的润湿，质轻，是优质的耐髙温材料。碳质制品的缺点是在高温下易氧化，不宜在氧化气氛中使用。碳质制品广泛用于高温炉炉衬（炉底、炉缸、炉身下部等）、溶炼有色金属炉的衬里。石墨制品可以用作反应槽和石油化工的高压釜内衬。碳化硅与石墨制品还可以制成熔炼铜银金和轻合金所需的坩埚。
　　3）碱性耐火材料
　　碱性耐火材料一般是指以MgO、CaO或以MgOCaO为主要成分的镁质制品耐火材料(镁、石灰、镁铬质、镁硅质、白云石质耐火制品及其不定型材料）。纯氧化镁的熔点高达2800°C，因此这类耐火材料耐火度都比较高，对碱性介质的化学侵蚀具有较强的抵抗能力。20世纪50年代中期以来，由于采用吹氧转炉炼钢和采用碱性平炉炉顶，碱性耐火材料的产量逐渐增加，黏土砖和硅砖的生产则在减少。碱性耐火材料主要用于平炉、吹氧转炉、电炉、有色金属冶炼及一些高温热工设备。
　　3.生产工艺分类
　　耐火材料按生产工艺可分为烧成制品、不烧制品、不定形耐火材料、熔融（铸）制品。
　　4.形状和尺寸分类
　　耐火材料按形状可分为定形耐火材料和不定形耐火材料两大类。不定形耐火材料又称浇注料，是由多种骨料或集料和一种或多种黏合剂组成的混合粉状颗料，使用时必须与一种或多种液体配合搅拌均勻，具有较强的流动性。定形耐火材料一般指耐火砖，其形状有标准规则，也可以根据需要在砌筑时临时加工，分为标型制品、普型制品、异型制品、特型制品、超特型制品。
　　5.用途分类
　　耐火材料按用途可以划分为钢铁行业用耐火材料、有色金属行业用耐火材料、石化行业用耐火材料、建材行业（玻璃窑、水泥窑等）用耐火材料、电力行业（发电锅炉）用耐火材料、废物焚烧熔融炉用耐火材料、其他行业用耐火材料等。
　　6.耐火度高低分类
　　耐火材料可以根据其耐火度进行分类。根据不同的文献和标准，耐火材料的分类方式有所不同，但主要可以分为以下几类:①普通耐火材料：1580～1770°C;②髙级耐火材料：1770～2000°C；③特级耐火材料：>2000°C。
　　这种分类方法指明了耐火材料的高温使用性能。
　　1.1.2耐火材料的性能表征
　　作为高温窑炉等热工设备的结构材料及工业用的高温容器和部件，耐火材料承受高温下的各种物理、化学及机械作用，需重点关注材料的结构特征与使用性能，如孔隙率、吸水率、体积密度与抗侵蚀、抗渗透、耐冲刷、抗蠕变、抗热剥落等性能。
　　1.耐火材料的结构特征
　　耐火材料的结构特征包括孔隙率、吸水率、体积密度、真密度、透气度、气孔孔径分布等，它们是评价耐火材料质量的重要指标。
　　1）孔隙率
　　耐火材料中的气孔大致可分为三类：封闭气孔、开口气孔和贯通气孔（图1.1）。封闭气孔不与外界相通。开口气孔一端封闭，另一端与外界相通。贯通气孔则贯穿材料两面，流体能够通过。耐火材料的孔隙率是指耐火材料中孔隙体积与总体积的比值，通常以百分数表示。孔隙率反映了耐火材料中孔隙空间的大小和分布情况。
　　贯通气孔对耐火材料在使用过程中被外界介质侵入的影响*大，从而加速材料损坏，开口气孔影响次之，封闭气孔影响*小。一般而言，开口气孔在总气孔中体积占比较大，封闭气孔的体积占比则较小。孔隙率分为显孔隙率、闭孔隙率和真孔隙率三种，材料的孔隙率指标常用显孔隙率（即开口孔隙率）来表示。
　　孔隙率作为耐火材料的关键技术指标，对其整体性能具有深远的影响。孔隙作为材料内