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【用户成果】眼见为实：高温接触角揭示Al?O?-TiO?改性镁砂的界面行为与性能提升机制
2026-04-27
DOI：10.1016/j.ceramint.2022.10.024?
武汉科技大学李亚伟教授团队在期刊《Ceramic?International》上发表了题为“Enhanced performance of free CaO impurity containing magnesia with Al2O3–TiO2?composite powder”的论文。研究了添加不同含量的?Al2O3–TiO2复合粉体，对含游离CaO杂质的镁砂的物相演变与微观结构的影响，并分析了最终协同提升其抗水化性、抗热震性和抗渣渗透性的效果。
镁砂(Magnesia, MgO)是钢铁冶炼炉（如转炉、钢包）内衬的核心耐火材料，优点在于熔点高、耐碱性渣侵蚀。中国利用隐晶质菱镁矿生产的镁砂，虽然化学纯度高，但含有游离氧化钙杂质。这会导致抗水化性差、抗热震性差、及抗渣渗透性差等三大问题。本研究提出一种新方法在镁砂制备过程中，加入?Al?O?-TiO??复合粉体，同时改善以上三种性能缺陷。
◆?材料配方：
轻烧镁粉（含0.97 wt% CaO）+ Al?O?-TiO?复合粉体（等摩尔比）。复合粉体添加量分别为0 wt%, 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%, 7 wt%。
◆ 工艺：球磨混合→ 压制成型 → 1600°C 烧结3小时。
◆ 原位表征
1)抗水化性：持续显著提升。重量增重率从MAT0的0.212%降至MAT3的?0.107%?，之后基本不变。
2)抗热震性：持续提升。残余强度比率从MAT0的15.1%提升至MAT7的?33.2%。
3)抗渣渗透性：量化膨胀指数RSI先升后降，在3 wt%添加量时最佳。渗透层厚度：MAT0为78 μm → MAT3降至33 μm → MAT7升至66 μm。
阶段一：添加量从0%-3%(性能提升)
接触角增大：实验测量发现，添加复合粉体后，熔渣与试样的接触角从13.8°?(MAT0)?显著增大，更大的接触角意味着渣更难润湿和渗透固体。
阶段二：添加量从3→7 wt% (性能下降)
接触角减?。菏笛椴饬糠⑾郑?/span>MAT3到MAT7，接触角开始下降，更小的接触角意味着渣更容易铺展和渗透。
使用天津中环电炉的可视化高温接触角测试仪TA-Z16B01记录样品随温度升高，表面的熔渣形态和接触角的变化过程。
添加Al?O?-TiO?后，有害的游离CaO转化为高稳定的CaTiO?；过量添加则会生成复合尖晶石?？顾院涂谷日鹦运嫣砑恿吭黾佣中嵘?。抗渣渗透性呈先升后降趋势，综合来看，添加?3 wt% Al?O?-TiO??的镁砂综合性能最优。
可视化高温接触角分析仪，可实现高温高真空表界面性能测试，是研究高温下不同熔体与相应基体间的接触角变化规律的专用科研装置，可实现高温、高真空条件下材料的表界面性能测试。该仪器能够对低熔点材料在升、降温过程中的收缩、变形、熔化、润湿、铺展及凝固行为进行图像化、定量化表征。
主要功能
·◆?高温测试：最高使用温度1600℃/2000℃/2400℃
·◆?空气/真空/气氛
·◆?可动态测量升降温过程中接触角随时间或温度变化的规律
·◆?可在线获取接触角8、液滴直径D、液滴高度H、液滴体积V等参数，用于计算熔体的表面张力，进而评价熔体对基体材料的润湿性
·◆?可实现对粉体、压坯、块体材料特征参数的实验测量(如烧结温度、软化温度、熔点等),指导陶瓷及粉末冶金制品的烧结工艺的制定和优化
·◆?可测量、记录规则或不规则形状样品在烧结过程中的变形情况，与微结构演化过程相对照，可以深入理解烧结过程机制
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