耐火材料设计的现状与发展
一种新材料的发现或材料的最佳组合，都是反复试验的结果，所采用的方法均是配方法或常说的“炒菜式”筛选法，在不断试验并经过无数次失败后才能成功，逻辑上称为归纳法。它是从实验出发，以已知的事实、经验和知识为基础，总结出为获得符合要求的材料应采取的方法。这种方法虽说费时费工，效率低下，但是由于方法实用可靠，至今还是材料设计的主要方法，但己远远不能适应现代科技和社会发展的要求。近几十年来，科学技术的发展对材料提出了更高、更严格的要求，迫切地要求材料的研究从配方方式向科学设计逐渐转移，同时由于固体物理、量子化学、现代计算机的高速发展，为材料的科学设计提供了可能。材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。材料设计强调了在材料研制与应用过程中的理论份量，但耐火材料是一门应用理论较强的学科，是一种多组分、多相材料，性能和组分间的关系复杂。因此，耐火材料的设计有它自身的特点。
1 耐火材料设计的发展阶段及其特点
耐火材料设计可分为以下3个阶段：
(1)天然耐火材料阶段
早期的耐火材料都取之于天然泥土等，主要用于炉衬材料，其加工工艺也相当原始。这是人们最早的耐火材料设计，完全取自于自然界。这种最简单的耐火材料开发与设计为以后耐火材料的发展创造了条件。
(2)经验性设计阶段
这一阶段的耐火材料主要用于青铜器、铁器和钢铁的冶炼，其原料主要是从自然界中精选出来的，加工工艺也比较简单。此阶段初始时，耐火材料的设计基本是凭经验摸索的。
(3)科学设计阶段
这时期的耐火原料以人工合成为主。人们根据长期积累的经验、归纳的实验规律和总结的科学原理，通过控制生产工艺来控制耐火材料的显微结构，以达到预期性能。这个阶段主要是由于现代科学技术的发展，新材料、新工艺的不断涌现，导致了耐火材料向高技术、高性能以至高精度发展；同时，耐火材料的发展也促进了高温技术的进步。此阶段的主要特点是人们能够在一定范围内根据经验、实验结果和物理化学、结晶化学、固体物理等科学原理来控制耐火材料的性能，以达到预期目的。
2 耐火材料设计的层次
材料设计可按研究对象的不同空间尺度划分为3个层次：1)微观设计层次，其空间尺度在1nm量级，是原子、电子层次的设计；2)连续模型层次，其空间尺度在约1μm量级，材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；3)工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。而耐火材料是多相材料，原子、电子层次的设计很少，其主要设计层次是连续模型层次(习惯称显微结构设计层次)和工程设计层次。
2．1 显微结构设计层次
耐火材料显微结构主要包括：晶相的种类、数量、分布，晶粒大小和形态等，玻璃相的存在和分布，气孔的尺寸、数量和分布以及它们相互之间的关系等。即使是同一化学组成，显微结构不同，耐火材料的性能也不同。因此，研究耐火材料的显微结构不仅能判断材料性能的好坏，而且还能分析工艺过程是否合理，提出改进工艺的措施，以达到指导生产的目的。显微结构设计主要依赖于对显微结构与性能之间关系的了解程度。耐火材料是多组分、多晶材料，晶界的大量存在影响着材料的某些重要性能，组分和性能之间的关系不象单晶、玻璃等材料那样简单，因而其显微结构与性能也十分复杂。目前，随着科学理论的发展，人们开始尝试用分形理论来研究陶瓷材料的显微结构，取得了较大的进展。了解了显微结构与性能之间的关系，如何来实现这种显微结构呢?合成和加工是保证显微结构的主要手段，也是耐火材料显微结构设计的一个环节。
2．2工程设计层次
耐火材料使用寿命不仅与其组分和显微结构有关，而且与耐火材料的宏观结构，即外观形状有关。耐火材料的损坏机理主要是化学侵蚀与热机械应力。前者是指熔体、气体、灰尘对耐火材料的化学侵蚀及冲刷等，后者是指由温度及某些内在化学反应引起的膨胀及机械负荷在耐火材料内部产生的应力超过其强度极限而导致的损坏。相同组分和显微结构的耐火材料，如果外观形状不同，在同一使用条件下，所受的应力也许不同，因而其使用寿命也不尽相同。通过有限元法计算耐火材料的应力分布，改进其外观形状，改善应力分布，从而提高耐火材料的使用寿命，目前也是一种行之有效的方法。
3 耐火材料设计的范围
从耐火材料的制备到耐火材料性能，再到使用，都属于耐火材料设计的工作范围，其中包括组成、结构和特性的显微结构设计在内。美国学者提出现代材料科学研究应由4个要素组成，即固有性质、结构与组分、使用性能以及材料制备，这4个要素是相互联系的整体。耐火材料设计也是如此。
3．1 材料的固有性质
材料的固有性质是确定材料功能特性和效用的描述符。刚玉、镁砂、莫来石、镁铝尖晶石、碳化硅等之所以成为良好的耐火材料，是因为它们本身具有熔点高、化学性质稳定、强度高等固有性质；碳复合耐火材料之所以成为耐火材料中的一次革命，就是因为石墨具有良好的导热性和抗侵蚀性，而碳复合耐火材料最大的弱点是在高温下易氧化，也是由于石墨在高温下易氧化所决定的。也正是认识了现有材料的固有性质，才促使人们在耐火材料设计时发挥其优点，避其缺点，也才有目前耐火材料设计的发展。材料的固有性质是耐火材料设计的基本出发点，也是耐火材料工作者必须掌握的。
在近十几年中，耐火材料工作者把高技术陶瓷领域中性能良好的非氧化物陶瓷(如Si3N4、Sialon、Al0N、Si2N2O等)引入耐火材料中作结合相或复合相，大大提高了材料的各种性能，从而制备出具有优良性能的非氧化物结合耐火材料，使得耐火材料由以氧化物和硅酸盐为主演变到氧化物和非氧化物并重，并有向氧化物与非氧化物复合的趋向；在耐火材料中引入金属铝、硅、碳化硼、锆英石、微粉和超微粉等作为添加剂来改善抗氧化性、流动性等。这些都是因为认识了材料的固有性质，才促使了耐火材料设计的发展。在科技发展的今天，新材料、新工艺不断地涌现，新的冶炼技术对耐火材料的使用性能也提出了新的要求，这就需要不断挖掘新的材料以适应新的要求，例如氮化物、碳化物、硼化物等，都有可能成为性能优良的耐火材料；而新型材料Ti3SiC2、SiCN和SiBCN也值得研究开发。不仅要挖掘发现新的材料应用于耐火材料中，也要对传统的氧化物和硅酸盐材料进行再认识。总之，对材料固有性质的认识，是耐火材料设计的前提。
3．2材料的结构与组分
结构与组分设计是耐火材料设计的核心，因为成分影响耐火材料的组织结构，也决定了耐火材料的性质。耐火材料设计的目的就是通过控制其成分、结构来制造出一种满足使用性能的材料。设计时需要考虑材料的显微结构、不同相之间的化学共存和物理匹配等因素。组分、结构和性能的关系很复杂，传统的数学处理方法难以有效处理和表达组分、结构与性能之间的关系。这给耐火材料设计带来了困难。近十几年来，以计算机技术为基础的各种方法应运而生，其中有效的方法有：分形理论、人工神经网络、遗传算法、模式识别、小波分析等。然而，关于耐火材料的设计软件却少有报道。
3．3材料的制备
耐火材料的制备是保证耐火材料成分与组织的主要手段，是其设计开发的一个重要环节，它决定了耐火材料的产品质量、成品率等。但是制备工艺与产品质量等也不是简单的关系，而是多因子的非线性关系。
耐火材料的组成不单纯是细粉，它是由颗粒和细粉混合后再经成型、烧成等工序而制成的，因而其制备工艺对产品质量的影响更复杂。这就要求在耐火材料的制备过程中要严格控制原料的纯度、颗粒级配、成型工艺、干燥制度、烧成制度等，同时，也要在传统工艺的基础上充分利用新工艺来制备耐火材料，保证耐火材料向高精度方向发展。
3．4材料的使用性能
设计耐火材料的目的在于应用。因此，耐火材料的使用性能是考查其质量的关键。耐火材料的使用性能不仅与其固有性质、显微结构和制备过程有关，而且与使用操作和使用环境有密切关系，因而要详尽了解耐火材料的使用环境，使耐火材料的设计更贴近实际情况。由于耐火材料的成分、组织均匀性、非平衡组织的稳定性等对使用性能的影响很大，再加上使用环境的复杂性，因此耐火材料的使用性能不能仅仅以性能指标来确定，必须综合考虑，如进口棚板的某些常规性能和国产棚板相比要低，有时甚至低许多，但其使用寿命却比国产的高得多。
传统耐火材料的使用性能比较单一，其功能是作为工业炉的内衬或部件以抵抗高温及介质(熔体、气体和固体)的侵蚀，可以看作是一种“器皿”和“管道”的作用；然而，高纯金属(如洁净钢)的发展要求耐火材料的使用多功能化，如具有脱硫、脱磷等作用。
4 耐火材料设计的发展趋势
(1)经验设计逐步向科学设计发展且两者兼容
从理论上看，各种物理、化学、材料科学理论以及数学处理方法都将构成具有指导耐火材料设计的知识系统。然而，不管这一知识系统发展到何等高度，总存在有大量尚未被理性化的经验和实验规律，它们将会随着人们认识的不断提高而在耐火材料设计中得到充分应用。对于这种多组分、多相材料而言，完全不依赖经验和不进行探索性实验的设计，在相当长的时期内是不可能实现的。因此，耐火材料的设计将由经验设计逐步向科学设计发展且两者兼容。
(2)耐火材料设计的定量化与计算机化
随着材料科学和计算机技术的发展，计算材料学成为可能，计算机成了材料设计中不可缺少的部分。从材料的显微结构设计、制备与加工到材料科学中的数据处理，计算机都起着重要的作用。耐火材料设计也是如此，计算机化的生产控制将会大大提高产品的稳定性，耐火材料使用过程的计算机模拟也会缩短生产应用所需要的时间。
(3)耐火材料设计的综合化
耐火材料设计是很复杂的工程，需要坚持运用系统论的观点和思维方法，广泛吸收其他学科所取得的新成就。耐火材料的设计是多结构层次的、结构和性质相结合的综合设计，不仅要考虑材料的显微结构，而且还要注重各组分间的化学相容性和物理匹配性。因此，必须运用各种材料科学理论，借鉴和结合其他学科的知识，来达到设计要求。
(4)耐火材料设计的功能化
随着冶炼新技术的发展和一些特殊功用的需要，使得一些耐火材料除了具有普通耐火材料的作用以外，还要具备其他功能，例如：冶炼洁净钢需要耐火材料具有净化钢水的功能，加热元件和直流电弧炉要求耐火材料具有导电功能，电磁冶金技术要求耐火材料的电磁穿透功能。
(5)耐火材料设计的环境意识
耐火材料的开发和使用过程，必须与自然环境相互协调，达到最佳的平衡状态。这就要求在耐火材料的生产和使用过程尽可能不产生有害物质，避免耐火材料废弃物对环境的污染，不断开发出能替代含铬耐火材料的新型耐火材料，同时也要求最大限度地减少对资源的消耗，增加耐火材料的循环再利用。因此，耐火材料的设计必须和环境相适应。
5 结语
耐火材料设计是一门很复杂的材料工程，同时也是一门材料科学。必须依据积累的经验和总结的实验，运用材料科学基本原理，综合其他科学理论，借助现代的数学处理方法和计算机模拟来达到耐火材料设计的预期目的。
