高温下的守护者：深度解析耐火材料的抗氧化性与评测之道

在极端高温与氧化性气氛交织的严苛环境中，材料的寿命与性能面临着终极考验。对于广泛应用于冶金、化工、航空航天等领域的含碳及非氧化物耐火材料而言，其抵抗高温氧化的能力——即抗氧化性，直接决定了设备的安全运行和生产效率。这不仅仅是一个材料属性，更是衡量其在高温服役条件下能否胜任的关键指标。本文将深入探讨提升此类材料抗氧化性的核心策略，并解析其性能评测的标准化方法与前沿实践。

战略防御：构筑材料抗氧化的多层壁垒

要延缓或阻止高温下氧气的侵蚀，材料科学家们从材料的“先天基因”到“后天铠甲”构建了多维度的防御体系。这些策略并非孤立存在，而是常常协同作用，共同提升材料的“生存能力”。

1. 内在强化：从微观结构入手

材料的本征特性是其抗氧化性能的基石。最直接的思路是从源头出发，选择氧化稳定性更优的炭素原料。同时，材料的微观结构扮演着至关重要的角色。一个致密的、低气孔率的材料结构，相当于为氧气的入侵设置了物理障碍。通过优化工艺，提升制品致密程度，可以显著减少暴露在氧化气氛中的活性表面积，并延长氧气向材料内部扩散的路径，从而有效减缓氧化速率。这是一种从内部构筑防御工事的根本性策略。

2. 主动牺牲与原位生成：抗氧化剂的巧妙运用

向材料中引入特定的“添加剂”——即抗氧化剂，是另一种高效的防护手段。这些添加剂可以被看作是“哨兵”或“牺牲者”。它们通常是比碳更易与氧反应的物质，主要包括：

• 金属元素： 如硅(Si)、铝(Al)、镁(Mg)、锆(Zr)、钙(Ca)等。
• 合金： 如铝硅(Al-Si)、铝镁(Al-Mg)、硅钙(Si-Ca)等。
• 非氧化物化合物： 如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)、碳化硼(B₄C)、氮化硼(BN)等。

其工作机理颇为精妙。在高温下，这些添加剂会优先于碳发生氧化反应，消耗掉周围的氧气。更重要的是，它们的氧化产物（如SiO₂、Al₂O₃等）往往是高熔点、高化学稳定性的氧化物，能够在材料的孔隙中或表面形成一层致密的玻璃相或陶瓷保护层，进一步封堵氧气入侵的通道，实现“原位”生成防护膜的效果。

3. 外部装甲：石墨的表面涂层技术

对于石墨这类极易氧化的材料，为其穿上一层“防护外衣”——即表面涂层，是行之有效的保护措施。通过物理或化学手段，在石墨颗粒表面覆盖一层能够有效隔绝氧气且润湿性良好的氧化物、碳化物或氮化物涂层，可以从根本上改变其表面性质。目前，主流的涂层技术路径包括：

• 水解沉积法： 利用石墨作为成核基体，使其表面吸附金属盐的水解产物，再通过低温热处理，将这层前驱体转化为致密的氧化物薄膜，如TiO₂或Al₂O₃涂层。
• 非均匀成核法： 以特定前驱体（例如ZrOCl₂·8H₂O）在石墨表面诱导生成ZrO₂涂层，形成有效的物理屏障。
• 其他前沿方法： 包括利用高速气流冲击法将SiC或磷酸盐颗粒“钉”在石墨表面；通过化学气相沉积(CVD)技术生长出均匀致密的保护层；以及利用酚醛树脂等聚合物浸渍后热解，在石墨表面形成一层致密的玻璃碳包覆层。

精准量化：抗氧化性能的科学评测

如何科学、准确地评价一种耐火材料的抗氧化性能？这需要一套标准化的测试方法来提供可靠的依据。

针对含碳耐火材料的国家标准

我国国家标准GB/T 13244—1991为含碳耐火材料的抗氧化性能检测提供了明确的指导方案，并根据材料是否含有抗氧化剂（即氧化抑制剂）区分了两种测试路径：

• 对于含抗氧化剂的材料： 核心评判指标是脱碳层厚度。测试过程模拟了材料的实际工况：将50 mm的立方体或圆柱体试样置于炉内，在流速为4 L/min的空气气氛下，以特定的升温程序（室温至1000°C阶段为8-10°C/min，1000-1400°C阶段为4-5°C/min）加热至试验温度，并保温2小时。冷却后，将试样切开，直接测量其氧化后形成的脱碳层厚度。这个厚度直观地反映了氧气侵蚀的深度，是衡量材料抗氧化能力的关键数据。

• 对于不含抗氧化剂的材料： 评判指标转为失碳率。测试过程首先对试样进行碳化处理并精确测定其初始残碳量和质量。随后，在氧化气氛中以8-10°C/min的速率升温至1000°C并保温5小时。冷却后，通过称量氧化后的质量，计算整个过程中的质量损失，从而得出失碳率。该指标从宏观上量化了材料因氧化而损失的碳量。

面向新型非氧化物材料的探索性评测

对于SiAlON、AION及其他先进氮化物耐火材料，目前业界尚未形成统一的抗氧化性能测试标准。研究者们通常采用更为灵活的表征方法来评估其性能，主要包括：

• 氧化增重法： 通过变温或恒温氧化增重试验，精确记录试样在氧化前后单位面积的质量变化。对于能形成致密稳定氧化膜的材料，其质量会因氧的结合而增加，增重量和增重速率可以反映保护膜的形成动力学和致密程度。
• 宏观形貌与力学性能变化： 考察试样在氧化前后外形尺寸的变化，以及耐压强度等关键力学性能的衰减情况。这种方法直接关联了材料的抗氧化性与其作为结构件的服役可靠性，为工程应用提供了更具实践意义的参考。

准确量化这些复杂的性能变化，无论是为了新材料的研发数据支持，还是工业生产中的质量控制解决方案，都对测试的精度和规范性提出了极高要求。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），专业的权威第三方检测机构，央企背景，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636