耐火材料的轻量化是高温工业节能的重要方向。以三级生矾土和粉煤灰为主要原料, 采用原位分解法制备轻量M60莫来石材料, 研究在不同烧成温度下粉煤灰对轻量M60莫来石材料结构与性能的影响。结果表明: 在1 400、1 500 ℃烧成温度下, 粉煤灰的引入使材料的体积密度降低, 总气孔率增加, 耐压强度大幅提升; 引入粉煤灰的试样1 500 ℃烧成后导热系数有明显下降。当烧成温度达到1 600 ℃时, 粉煤灰的引入使材料的总气孔率减小, 体积密度略有增加, 导热系数明显增加。此外, 粉煤灰的引入会降低材料的荷重软化温度。引入34.0%(质量分数)粉煤灰后, 所制备莫来石材料的体积密度降低了8%~13%, 总气孔率增加了23%~37%; 经1 500 ℃烧成后, 材料耐压强度达到(122.6±2.2) MPa, 1 000 ℃测试时的导热系数仅为0.616 W/(m·K)。

红柱石是铝硅系耐火材料重要的原料之一, 因完全莫来石化后具有莫来石-高硅氧玻璃相相间的结构而表现出优异的抗碱侵蚀性能。然而, 其莫来石化程度与抗碱侵蚀性能之间的关系尚未厘清。为此, 本工作以粒度为3~5 mm的红柱石为研究对象, 在1 450~1 600 ℃下热处理红柱石3 h, 研究了红柱石的莫来石化过程与结构演变, 并采用碱蒸气法研究了抗碱侵蚀行为。结果表明, 随着热处理温度的提高, 红柱石表面及裂纹附近先转变形成莫来石-高硅氧玻璃相结构, 随后莫来石化转变不断向内部发展, 直至完全莫来石化。红柱石莫来石化程度不同决定了其不同的抗碱侵蚀行为。1 450 ℃热处理后的红柱石表面及大裂纹附近形成的莫来石-高硅氧玻璃相复合层较薄, 侵蚀以红柱石与钾蒸气直接反应为主, 抗碱侵蚀性能较差; 1 500 ℃及以上温度热处理的红柱石表面及大裂纹附近形成了一定厚度的莫来石-高硅氧玻璃相复合层, 钾蒸气首先与高硅氧玻璃相反应形成含钾硅酸盐液相, 随后该液相对莫来石相产生侵蚀溶解, 阻止了碱蒸气对莫来石的直接反应侵蚀, 从而使红柱石表现出优良的抗碱侵蚀性能。

开发高发射率红外辐射材料是高温窑炉节能的重要方向。本工作采用高温固相反应工艺制备Ni2+掺杂MgCr2O4材料，研究了Ni2+掺杂量摩尔分数对MgCr2O4材料红外辐射性能的影响，探讨了影响MgCr2O4材料红外发射率的机理。结果表明，Ni2+能掺杂进入MgCr2O4材料晶格，所制备的Mg1-xNixCr2O4 (0.1≤x≤0.5)材料产生了晶格畸变，少量Ni2+价态发生转变；同时，随着Ni2+掺杂量增加，氧空位浓度的增大，禁带宽度减小，所制备材料在近中红外波段的发射率均有提高。x=0.5的材料(Mg0.5Ni0.5Cr2O4)在近红外波段(0.8～2.5 μm)的平均发射率达到0.88，较未掺杂样品提升了167%。Ni2+掺杂强化了晶格振动吸收、自由载流子吸收和杂质能级吸收，提升了MgCr2O4材料在近中红外波段的红外发射率。

采用高温固相反应工艺制备n(Ca2+)/n(Co2+)(n为摩尔)共掺杂LaAlO3陶瓷，研究了n(Ca2+)/n(Co2+)掺杂比例对LaAlO3陶瓷［La1-xCaxAl0.8Co0.2O3，0.25≤n(Ca2+)/n(Co2+)≤2.00］红外辐射性能的影响，探讨了LaAlO3陶瓷发射率提高的机理。结果表明，n(Ca2+)/n(Co2+)共掺杂LaAlO3陶瓷具有钙钛矿结构。在0.76~2.50 μm波段，掺杂比例［0.25≤n(Ca2+)/n(Co2+)≤1.00］的增加有助于提升陶瓷的发射率，n(Ca2+)/n(Co2+)=1.00的陶瓷样品(La0.8Ca0.2Al0.8Co0.2O3)有最高的平均发射率(0.87)；在2.50~14.0 μm波段，所有n(Ca2+)/n(Co2+)共掺杂LaAlO3陶瓷的平均发射率普遍高于0.94。发射率提高的原因为：n(Ca2+)/n(Co2+)共掺杂强化了自由载流子吸收、杂质能级吸收和晶格振动吸收。这种高发射红外陶瓷材料有望在热工装备的节能应用领域发挥作用。

近年来，污泥、生活垃圾作为水泥生产的部分燃料应用于水泥生产，造成水泥窑炉衬材料硅莫砖的严重碱侵蚀破坏和剥落，影响水泥窑的稳定运行。采用碱蒸气法系统研究了水泥窑硅莫砖用高铝矾土、莫来石(M60)及莫来凯特3种铝硅系耐火原料抗碱蒸气侵蚀行为。结果表明：3种铝硅系耐火原料的碱蒸气侵蚀行为，与原料中的化学成分、玻璃相含量和成分及其显微结构等密切相关。对于以刚玉、莫来石为主的高铝矾土，碱与刚玉、莫来石晶相发生反应形成钾霞石，产生体积膨胀，使得高铝矾土表面先发生疏松和开裂，后碱蒸气渗入颗粒内部，造成严重碱侵蚀破坏；而对于以莫来石为主的莫来石(M60)原料，碱与莫来石和玻璃相发生反应，形成瞬间液相并析出白榴石相，形成的液相阻止了碱的渗透，使碱侵蚀仅发生在表面层而表现出优良的抗碱侵蚀性能。而莫来凯特原料中晶相莫来石与玻璃相含量相当，玻璃相含量高达46%，其与碱蒸气发生化学反应形成更多的液相，同时析出白榴石相，因氧化钾反应溶解在该原料玻璃相中，造成原料整体性侵蚀破坏。

针对多孔介质高温燃烧用碳化硅多孔陶瓷因高温氧化导致抗热震性能以及辐射效率衰减等问题，首先采用有机泡沫浸渍法制备碳化硅素坯，经低温预烧、真空浸渍含Mg(OH)2、单质Si和α-Al2O3浆料，经过原位反应烧结在碳化硅骨架表面构筑含堇青石红外辐射涂层的碳化硅多孔陶瓷。结果表明：真空浸渍浆料能在碳化硅骨架表面涂覆连续涂层的同时，能完全填充骨架的三角孔洞，经1 350 ℃烧结成功制备了具有堇青石涂层、碳化硅骨架中间层、堇青石填充层的3层结构碳化硅多孔陶瓷。3层结构的形成显著提高了碳化硅多孔陶瓷力学性能及抗热震性能以及高温抗湿氧化能力，碳化硅多孔陶瓷在1?350 ℃热处理后耐压强度达到1.18 MPa、残余强度保持率达67%；碳化硅多孔陶瓷中3层结构孔筋表面堇青石红外辐射涂层的形成，强化了碳化硅多孔介质燃烧器辐射换热过程和燃烧效率，将燃烧器表面温度提高约140 ℃，并显著降低了燃烧器中CO、NOx等污染物的排放量。

在轻烧MgO粉中添加5% (质量分数)、10%、15%及20% m-ZrO2粉，于1 600 ℃条件下制备了MgO-ZrO2耐火骨料，研究了ZrO2含量对材料烧结行为、显微结构、力学性能、热学性能及抗热震性能的影响。结果表明：ZrO2主要弥散分布于方镁石晶界处，抑制了方镁石晶粒异常长大，促进了气孔排出，部分m-ZrO2与MgO发生固溶形成c-ZrO2，活化了方镁石晶格，促进了试样烧结及致密化，但ZrO2超过10%会导致MgO晶界处形成较多微裂纹，使得试样致密度略微降低。添加ZrO2后，方镁石晶粒间结合减弱，试样强度略降低，裂纹扩展方式以沿晶断裂为主，发生偏转及分叉效应，使得试样断裂韧性KIC显著提高。当ZrO2添加量为20%时，试样中MgO晶粒最小，裂纹扩展路径最长，表现出最佳KIC。此外，添加ZrO2虽然会导致试样导热率λ呈下降趋势，但试样KIC明显提高，热膨胀系数α不断降低，试样抗热震性能得到提高。ZrO2添加量5%试样的残余抗折强度及残余抗折强度保持率均最高，表现出最佳的抗热震性能。

分别以均化矾土、多孔莫来石和涂覆玻璃陶瓷涂层的多孔莫来石作为骨料制备3种不同的莫来石-碳化硅材料，研究了莫来石-碳化硅材料1 500 ℃热处理后常温物理性能及1 000 ℃模拟钾蒸气侵蚀条件下的结构与性能变化，并借助热力学分析了玻璃陶瓷涂层影响材料抗碱侵蚀性能的机制。结果表明：相比于以均化矾土为骨料制备的传统莫来石-碳化硅材料，通过直接引入多孔莫来石骨料方式得到的轻量莫来石-碳化硅材料耐压强度变化不大，但其抗碱侵蚀性能明显下降；当多孔莫来石骨料表面涂覆玻璃陶瓷涂层后，玻璃陶瓷涂层在高温下形成的液相促进材料烧结，使骨料与基质结合更为紧密，所制得的具有玻璃陶瓷涂层的轻量莫来石-碳化硅材料强度明显增加；并且玻璃陶瓷涂层可以吸收部分钾蒸气并产生液相，进一步保护多孔莫来石骨料免受碱侵蚀，从而使具有玻璃陶瓷涂层的轻量莫来石-碳化硅材料的抗碱侵蚀性能优于传统莫来石-碳化硅材料。