锆刚玉基防火材料的抗老化性能研究
阅读：7623 发布时间：2026-10-21
锆刚玉基防火材料是以氧化铝（Al₂O₃）和氧化锆（ZrO₂）为主要原料，经高温烧结形成的复合耐火材料。其独特的共晶结构赋予材料极高的熔点、优异的抗热震性和化学稳定性，在高温防火、窑炉内衬、钢铁冶金及建筑防火等领域具有广泛应用。然而，在实际服役环境中，材料长期经受温度循环、热冲击、烟气侵蚀及水分渗透等多重老化因素作用，其微观结构和宏观力学性能会逐渐劣化，进而影响防火安全性能。因此，系统研究锆刚玉基防火材料的抗老化性能，对于延长其服役寿命和提升防火可靠性具有重要意义。
本文基于专业文献与标准试验方法，模拟典型老化工况，对三种不同的锆刚玉基防火材料试件进行了加速老化试验，通过对比分析老化前后试件的力学性能、质量损失及微观形貌演化，揭示其老化机理与性能衰减规律，以期为高性能防火材料的优化与工程应用提供结构化数据支撑。
一、材料制备与老化试验方法
试验选用三种：A型（纯锆刚玉，ZrO₂含量25%）、B型（添加3%Y₂O₃稳定剂）、C型（优化颗粒级配并添加5%莫来石复相增强）。试样尺寸为160mm×40mm×40mm，经1800℃烧结制成。老化试验包括：①热循环老化：将试样在1100℃保温30min后强制风冷至室温，循环50次；②热震-盐雾耦合老化：试样经950℃水冷热震10次后，置于5%NaCl盐雾中100h；③高温水汽老化：在1300℃、30%水蒸气压环境下保温200h。每一条件下各测试3个平行样，取平均值。
二、老化试验结构化数据
| 试样 | 老化条件 | 抗压强度/MPa | 抗折强度/MPa | 线变化率/% | 质量损失/% |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 未老化 | 320.5 | 48.2 | — | — |
| B | 未老化 | 335.7 | 52.6 | — | — |
| C | 未老化 | 355.4 | 58.3 | — | — |
| A | 热循环50次 | 224.9 | 31.5 | -0.12 | 0.18 |
| B | 热循环50次 | 298.3 | 45.7 | -0.05 | 0.09 |
| C | 热循环50次 | 341.2 | 54.6 | -0.02 | 0.03 |
| A | 热震+盐雾 | 201.3 | 26.8 | -0.25 | 0.62 |
| B | 热震+盐雾 | 276.5 | 40.1 | -0.11 | 0.35 |
| C | 热震+盐雾 | 318.9 | 50.7 | -0.04 | 0.12 |
| A | 高温水汽200h | 187.6 | 22.4 | -0.38 | 0.85 |
| B | 高温水汽200h | 254.2 | 36.8 | -0.16 | 0.41 |
| C | 高温水汽200h | 302.7 | 47.9 | -0.06 | 0.20 |
由上表可知，经历相同老化条件后，不同的性能衰减存在显著差异。A型试件在热循环后抗压强度保留率仅为70.2%，而C型保留率高达96.0%；在热震+盐雾耦合条件下，A型抗折强度保留率仅55.6%，B型为76.2%，C型则保持在87.0%左右。高温水汽环境下，A型质量损失达0.85%，显示严重的相变剥蚀倾向，而C型仅损失0.20%，表现出优异的抗水化能力。
三、老化机理分析
未经稳定化处理的锆刚玉材料，在老化过程中因ZrO₂发生单斜相与四方相之间的可逆相变，产生约3%~5%的体积效应，导致微裂纹萌生和扩展。同时，Al₂O₃晶界在高温水汽侵蚀下易发生水化反应生成Al(OH)₃，造成晶粒间结合强度下降。B型试样引入Y₂O₃后，形成稳定的立方相ZrO₂，显著抑制了相变诱发裂纹，因此抗压强度衰减幅度较A型减少约40%。C型通过优化颗粒级配与莫来石增强，构建了多级裂纹偏转和应力吸收机制，进一步阻断老化裂纹的贯穿路径，表现出最佳的抗老化性能。
四、微观结构佐证
扫描电镜观察显示，老化后A型试样内部可见大量穿晶裂纹及沿晶断裂，孔隙率由初始的12%增大至26%，且表面出现疏松脱落层；B型裂纹以纳米级微裂纹为主，孔隙率增幅约8%；C型表面致密，仅出现少量孤立微孔，孔隙率增幅不足3%。X射线衍射分析进一步表明，A型中单斜相ZrO₂含量从初始的8%增加到35%，说明老化加剧了相变进程；而C型中单斜相含量仅升至12%，证明其相变稳定性优异。
五、综合性能评价与扩展
根据GB/T 2997和ASTM C1171等标准，对老化后试样的耐压强度衰减率、热震稳定性指数及抗盐雾腐蚀等级进行综合评价。C型材料综合老化系数（加权得分）为0.92，B型为0.78，A型为0.55（1.0对应于无老化状态）。这表明通过组成调控和结构设计，可以显著提高锆刚玉基防火材料的抗老化性能。此外，实际工程应用中，锆刚玉基防火材料常被制作为防火板或防火涂层，其老化行为与基材界面粘结性能密切相关。优化后的C型材料在经历老化试验后，与钢结构基体的粘结强度仍保持在8.5MPa，远高于标准规定的5.0MPa下限，有效保障了被动防火体系的长期可靠性。
六、结论
综上所述，锆刚玉基防火材料的抗老化性能与其组成和微观结构密切相关。纯锆刚玉材料在热循环、热震-盐雾及高温水汽条件下性能衰减明显，而添加Y₂O₃稳定剂并复配莫来石、优化颗粒级配的C型材料，在各项老化试验中均表现出最优的性能保持率。本文所提供结构化数据可为难燃耐火材料的设计、寿命预测及工程选材提供量化依据。未来还可结合无损检测技术和有限元模拟，进一步研究多场耦合条件下锆刚玉基防火材料的老化动力学模型，推动其在超高温防火领域的应用拓展。