1.1　耐火材料的組成、結構

耐火材料一般是由多種不同的化學成分和礦物組成構成的非均質體。它的各種性質不僅取決于它的化學成分，而且更依賴于其中的物相組成、分布及各相的特性，即取決于制品的化學、礦物組成。因此，需要首先對耐火材料的化學成分、礦物組成及顯微結構進行描述。

1.1.1　化學、礦物組成

1.1.1.1　化學組成

化學組成即化學成分，是耐火材料最基本的特征之一。耐火材料的主要功能是抵抗高溫作用，因此它主要由熔點較高的化合物組成，實際應用較多的是硼、碳、氮、氧的化合物，據此可把耐火材料分為氧化物耐火材料和非氧化物耐火材料兩大類。常見的氧化物與復合氧化物及其熔點示于圖1-1和表1-1中。常見的非氧化物及其熔點見圖1-2和表1-2。

耐火材料往往是非均質體，有主副成分之分。通常將其基本成分稱為主成分，而其他部分稱為副成分。副成分又分為添加成分和雜質成分，添加成分是有意添加以提高制品某方面性能的成分，而雜質成分則是無意或不得已帶入的無益或有害成分。

主成分通常是高熔點耐火氧化物及其復合氧化物或非氧化物的一種或幾種。它是耐火制品的主體，是直接決定耐火制品性能的基礎條件。它的性質和數量對耐火材料的性能起決定作用。

添加成分則往往是為彌補主成分在使用性能、生產性能或作業性能等某方面的不足而使用的，通常有結合劑、礦化劑、穩定劑、燒結劑、減水劑、抗水化劑、抗氧化劑、促凝劑和膨脹劑等。它們可能為氧化物，也可能是非氧化物；可能是有機物，也可能是無機物?？傊贩N繁多，是當前耐火材料研究的重點之一。它們的特點是：加入量很少，甚至是極微；能明顯改善耐火制品的某種功能或特性；對該制品的主性能無嚴重影響。

雜質成分則是指由于原料純度有限而被帶入或生產過程中混入的對耐火制品性能具有不良影響的部分。一般來說，K2O、Na2O及FeO、Fe2O3都是有害雜質。另外，酸性耐火材料中的堿性成分及堿性耐火材料中的酸性成分均是有害雜質。它們在高溫下具有強烈的熔劑作用，使得共熔液相的生成溫度降低，生成量增多，而且隨著溫度的升高液相生成量的增加速度加快，從而嚴重影響耐火制品的高溫性能。

1.1.1.2　礦物組成

耐火材料在化學成分固定的前提條件下，由于成分分布的均勻性和加工工藝的不同，使制品中的礦物種類、數量、晶粒大小和結合狀態不同，這種微觀結構的不同，造成制品性能的差異。例如，SiO2含量相同的硅質制品，因SiO2在不同工藝條件下可形成結構和性質不同的兩種礦物——鱗石英和方石英，使其制品的某些性能會有差異。即使制品的礦物組成一定，隨晶粒大小、形狀和分布情況的不同，亦會對制品的性能有著顯著影響。因此，耐火材料的礦物組成也是決定其性能的主要因素。

耐火材料的礦物組成一般分為主晶相和基質兩大類。主晶相是指構成制品結構的主體且熔點較高的晶相，主晶相的性質、數量和結合狀態直接決定著耐火材料的性能。除要選擇熔點較高的化合物或單質外，還希望它們的晶體發育充分、完好，真正發揮主晶相的耐火性能?；|是在耐火制品主晶相之間填充的結晶礦物或玻璃相，其數量不大，但成分、結構復雜，作用明顯，往往對制品的某些性能有著決定性的影響。在使用的過程中，基質往往首先破壞，調整和改變基質可以改善材料的使用性能。

硅酸鋁系耐火材料中基質多以玻璃相形式膠結主晶相的晶體顆粒，堿性耐火材料的基質多以細微晶體的形式連接主晶相晶體。最近發展起來的直接結合磚，其基質已經不再作為高溫結合相，它們存在于互相連接的主晶相的小孔隙中，只是在燒結前發揮它們的熔劑作用。

1.1.2　顯微結構

耐火材料的組織結構分為宏觀組織結構和微觀組織結構。耐火材料的宏觀組織結構是指肉眼所能看到的形貌特征。微觀組織結構是指在顯微鏡下能觀察到的結構，主要包括耐火材料中相的數量、形狀、大小、分布及它們之間的相互關系。耐火材料的顯微結構與多晶陶瓷相似，但要比多晶陶瓷復雜。最大的區別在于耐火材料結構中除了含有不同的物相外，還有粒度不同的顆粒以及氣孔存在，不像多晶陶瓷那樣比較均勻。因此耐火材料顯微結構組成單元包括顆粒、氣孔和結合相，如圖1-3所示。其中顆粒在耐火材料的制造過程中以顆粒料的形式加入，并且有不同的尺寸。顆粒料通常是原料經過高溫煅燒后破粉碎得到的，在耐火材料的制備中已經很穩定，形狀和尺寸保持不變。但其也是由一種以上的晶相、氣相與玻璃相組成。

結合相是存在于顆粒之間的各物相的總稱，它是由配料中加入的多種細粉、結合劑與添加劑通過燒成或者其他處理后得到的。它的里面既有微小的晶粒，又有玻璃相和氣孔。結合相或膠結在顆粒相的周圍，或處于直接結合的顆粒形成的氣孔中。其組成與存在形式影響著耐火材料的各項性能。

除顆粒和結合相外，耐火材料中還存在許多氣孔，這些氣孔既存在于顆粒中，也存在于結合相中。分為開口氣孔和閉口氣孔。氣孔的存在是耐火材料不同于其他結構陶瓷的另一個特征，一定量氣孔的存在有利于耐火材料熱震性的提高，同時氣孔的數量和存在形式對耐火材料的力學、熱學以及高溫使用性能均有影響。