耐(nai)(nai)火(huo)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao),是指凡物理(li)化學性質允許其(qi)在高(gao)溫(wen)(wen)環境下(xia)使用(yong)的無機(ji)非金屬材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。各(ge)國的規(gui)定不同(tong),但(dan)其(qi)基本概念是相同(tong)的,即(ji)耐(nai)(nai)火(huo)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)是用(yong)作(zuo)高(gao)溫(wen)(wen)窯(yao)爐等(deng)熱工(gong)(gong)設備的結構材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)以(yi)及(ji)工(gong)(gong)業(ye)用(yong)高(gao)溫(wen)(wen)容器和部件的材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao),并能承受(shou)相應的物理(li)化學變化及(ji)機(ji)械作(zuo)用(yong)。無論對于(yu)冶金、建材(cai)(cai)(cai)等(deng)傳統工(gong)(gong)業(ye),還是航(hang)空(kong)航(hang)天、新能源材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao),許多(duo)過程都(dou)是在高(gao)溫(wen)(wen)下(xia)進行(xing)的,只要有高(gao)溫(wen)(wen)就離不開(kai)耐(nai)(nai)火(huo)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。高(gao)溫(wen)(wen)工(gong)(gong)業(ye)的發展(zhan),與耐(nai)(nai)火(huo)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的發展(zhan)密切相關,其(qi)技術進步無一例外地(di)都(dou)依賴于(yu)優質耐(nai)(nai)火(huo)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的研發。
隨著(zhu)低碳(tan)經濟時(shi)代的來(lai)臨,耐(nai)(nai)火材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)對(dui)于(yu)節能(neng)減排(pai)所起到的作(zuo)用(yong)日(ri)益凸顯。新(xin)(xin)能(neng)源材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的生產(chan)也對(dui)耐(nai)(nai)火材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)提出了新(xin)(xin)的要(yao)求(qiu)(qiu)。與此同時(shi),隨著(zhu)人類(lei)社(she)會的發展和(he)(he)技術(shu)的進步(bu),對(dui)于(yu)耐(nai)(nai)火材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的要(yao)求(qiu)(qiu)越來(lai)越高,不僅要(yao)求(qiu)(qiu)長(chang)壽,而且要(yao)求(qiu)(qiu)其具有(you)一(yi)定的功能(neng)化(hua)。耐(nai)(nai)火材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)屬于(yu)廣義的陶瓷材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的范(fan)疇,是多(duo)組成、多(duo)粒徑的非均質材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao),在(zai)其制備過程(cheng)(cheng)中會發生分(fen)解、固相反應(ying)等一(yi)系(xi)列化(hua)學變化(hua),使其達到滿足(zu)使用(yong)要(yao)求(qiu)(qiu)的物理化(hua)學性能(neng),在(zai)其使用(yong)過程(cheng)(cheng)中會和(he)(he)環境中的氣(qi)、液、固發生化(hua)學反應(ying),產(chan)生蝕損,導致其損毀,因此是典型的熱化(hua)學反應(ying)過程(cheng)(cheng),從工程(cheng)(cheng)科學角度來(lai)說屬于(yu)工程(cheng)(cheng)熱化(hua)學領域的重(zhong)要(yao)構成。
作為工程熱化學(xue)的重要技術領域(yu),在(zai)“雙(shuang)碳”目標下(xia),關注耐火材料生產和服役過程中包括(kuo)分解(jie)、還原(yuan)、合(he)成、侵(qin)蝕等熱(re)化(hua)學反應(ying)的科學創(chuang)新和技術升級(ji)及(ji)變革,對于材料創(chuang)制和高溫過程低(di)碳化(hua)所具有的意義更加凸(tu)顯和緊迫(po)。
耐(nai)火材料發(fa)展歷程自從人類開始用(yong)火(huo),就有了(le)耐(nai)火(huo)材料(liao)。耐(nai)火(huo)材料(liao)的發展與人類文明(ming)是(shi)共同進步的。早在公元前10000—公元(yuan)前(qian)8000年,人(ren)類便開(kai)始(shi)用(yong)黏土(tu)做耐(nai)火(huo)材(cai)(cai)料(liao)。原始(shi)陶器(qi)和瓷器(qi)等日用(yong)器(qi)具、青(qing)銅器(qi)生產、 兵器(qi)的(de)(de)(de)(de)鑄(zhu)(zhu)造促進了耐(nai)火(huo)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)生產和使用(yong),但仍然局限于就(jiu)地取(qu)(qu)材(cai)(cai),或者(zhe)說(shuo)大部分(fen)時(shi)候是就(jiu)地取(qu)(qu)材(cai)(cai)。在中國考古(gu)發現的(de)(de)(de)(de)一些灶臺、青(qing)銅鑄(zhu)(zhu)造遺址(zhi)發現的(de)(de)(de)(de)陶范(fan)等都是早(zao)期的(de)(de)(de)(de)耐(nai)火(huo)材(cai)(cai)料(liao),這種耐(nai)火(huo)材(cai)(cai)料(liao)十分(fen)粗糙,從現代定義來看,很難稱為(wei)耐(nai)火(huo)材(cai)(cai)料(liao),但事(shi)實上卻是耐(nai)火(huo)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)肇始(shi)。雖然當時(shi)并沒(mei)有(you)耐(nai)火(huo)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)概念,但是有(you)經驗(yan)的(de)(de)(de)(de)人(ren)員(如煉(lian)丹道士、工匠)可(ke)能根據經驗(yan)得出(chu)了冶煉(lian)爐子材(cai)(cai)料(liao)制備(bei)的(de)(de)(de)(de)三個必要(yao)條件:①耐(nai)高溫(wen),不熔化;②不和礦(kuang)石(shi)(如鐵(tie)礦(kuang)石(shi)、銅礦(kuang)石(shi)等(deng))反應;③有(you)一定的力學強度,加壓時不易被破壞。雖然沒有(you)科學理論(lun)支持,但(dan)已經具(ju)有(you)了樸素的熱化學反應(ying)概念。
約在春(chun)秋戰國時期,即公元前5世紀,出現(xian)了鐵器(qi),隨(sui)著鐵器(qi)的(de)逐漸(jian)普及,耐火(huo)材料的(de)選(xuan)擇(ze)和使用(yong)逐漸(jian)形成(cheng)了一套經驗。河南鞏縣(xian)鐵生溝遺(yi)址(zhi)出土的(de)耐火(huo)磚氧(yang)化硅含量為(wei)61.16%~70.57%,氧化(hua)鋁(lv) 含量為 12.94%~15.81%,氧(yang)化鐵的含量為 4.35%~ 6.14%,耐火度在1240~1330℃之(zhi)間,是(shi)我國經(jing)考古(gu)(gu)發掘的(de)最早含(han)煤、黏土(tu)和(he)(he)石英砂(sha)的(de)耐(nai)(nai)(nai)火(huo)材(cai)料(liao)。 河(he)南南陽瓦房莊也(ye)出(chu)土(tu)了成分類(lei)似且(qie)經(jing)過燒(shao)制的(de)耐(nai)(nai)(nai)火(huo)磚(zhuan),說明當(dang)(dang)時耐(nai)(nai)(nai)火(huo)材(cai)料(liao)的(de)生產已經(jing)有了相當(dang)(dang)高(gao)的(de)水平(ping),可能(neng)已經(jing)實現(xian)了規模化制造。在相當(dang)(dang)長的(de)時間內耐(nai)(nai)(nai)火(huo)材(cai)料(liao)以黏土(tu)質(zhi)和(he)(he)硅(gui)質(zhi)為主(zhu),采用高(gao)含(han)量二氧化硅(gui)的(de)酸性(xing)耐(nai)(nai)(nai)火(huo)材(cai)料(liao)和(he)(he)古(gu)(gu)代高(gao)爐(lu)渣偏酸性(xing)是(shi)相適(shi)應的(de)。值得注意的(de)是(shi),古(gu)(gu)代已經(jing)出(chu)現(xian)了在現(xian)在所謂(wei)碳復合耐(nai)(nai)(nai)火(huo)材(cai)料(liao)的(de)雛(chu)形,比如在河(he)南滎(ying)陽煉鐵遺(yi)址發現(xian)的(de)耐(nai)(nai)(nai)火(huo)材(cai)料(liao)和(he)(he)洛(luo)陽出(chu)土(tu)的(de)坩堝中,發現(xian)碳 量比較高(gao),這(zhe)可能(neng)是(shi)有意識加入的(de)木炭或煤,借此提高(gao)耐(nai)(nai)(nai)火(huo)材(cai)料(liao)的(de)耐(nai)(nai)(nai)火(huo)度和(he)(he)化學穩定性(xing)。總體而(er)言,18世紀(ji)前耐火材料(liao)的(de)研究和(he)應(ying)用(yong)仍然處于(yu)熱化(hua)學經驗應(ying)用(yong)階段。