退火硬度:小於207HBS
標準化硬度:小於250HBS
調質處理:試樣直徑:25mm，850度淬火油淬，520度回火後:抗拉強度:1000 MPa，屈服:800 MPa，延伸率:9%，面積收縮率:45%，沖擊韌性:588.3 kJ/m2。
綜述了近年來高性能耐火材料的研究進展。重點介紹難熔金屬、合金及其化合物和復合材料在軍事、核工業、航天、醫學、電力和電子技術等尖端領域的具體應用。論述了未來高性能耐火材料可能的發展趨勢，分析了實現耐火材料高性能的可能途徑、方法和工藝裝備。最後，討論了中國在這壹領域面臨的機遇、挑戰和對策。
關鍵詞:耐火材料，應用，發展
分類號:TF 125.2+42tf 125.2+43。
先進耐火材料在高科技領域的應用及發展趨勢
齊格-盧小珍-生韓煥清
(中央鋼鐵公司；鋼鐵研究所，北京，100081，中國)
文摘:綜述了先進難熔金屬及其合金、化合物和復合材料的研究進展。著重介紹了它們在軍事、核工業、空間科學、醫學、電力和電子技術等高技術領域的具體應用。討論了未來合理的發展趨勢。對可能出現的路線、工藝和設備以及機遇、挑戰和對策進行了分析和探討。
關鍵詞:耐火材料，應用，發展
難熔金屬、合金及其化合物和復合材料等難熔材料，由於其獨特的高熔點和其他獨特的性能，壹直作為高技術材料發展，在國民經濟中占有重要地位。比如以WC為硬質相的硬質合金成為現代工業的“牙齒”，鈦成為繼鐵、鋁之後的第三種金屬。隨著科學技術的發展，對材料提出了越來越嚴格的要求。今天，傳統材料已經不能滿足這些新的要求，但耐火材料正日益顯示出其獨特的優勢，特別是在國防、航空航天、電子信息、能源、防化、冶金、核工業等領域，引起了世界各國的高度重視，成為材料科學最活躍的研究領域之壹。
1高性能耐火材料在尖端領域的應用
高性能耐火材料是尖端領域發展的產物。相反，高性能耐火材料的實現為尖端領域的發展提供了物質基礎。
1.1軍事應用
耐火材料從壹開始就與軍事應用有著不解之緣，很多研究都與軍事目的有關。冷戰時期，美國和前蘇聯研制的各種先進武器和耐火材料的應用占據了非常重要的地位。
1.1.1穿透器
侵徹彈是摧毀敵方簡易機場和堅固掩體的有效武器。其核心主要由鎢基高密度合金和硬質合金組成。在海灣戰爭中，美國使用了大量的侵徹炸彈摧毀伊拉克軍用機場跑道，有效地遏制了伊拉克飛機的起降，大大削弱了伊拉克的防空力量。美國還對伊拉克堅固的鋼筋混凝土掩體使用了三級穿甲彈，大大降低了伊拉克地面部隊和人員的防禦和生存能力。據報道，該穿甲彈可以在堅固的飛機跑道上炸出壹個直徑為200米的洞，可以穿透65毫米的裝甲鋼板。
1.1.2集束炸彈
據報道，在北約對南斯拉夫的空襲中使用了集束炸彈。集束炸彈的主要成分是難熔金屬，有效殺傷範圍可達1km。動能很大的碎片也能穿透坦克和裝甲運兵車，尤其是頂蓋、尾翼等薄弱部位。所以是對付大部隊和坦克裝甲車集結的最佳武器。
1.1.3導彈指南
美國在海灣戰爭中使用了大量高科技先進武器，其中巡航導彈和愛國者導彈應用最為廣泛。美國已將導彈列入“星球大戰”計劃，中國也在“兩彈壹星”中重點發展導彈技術。導彈的威懾作用不僅在於它本身，還在於它的運載能力。
固體燃料火箭導彈是耐火材料最多的武器之壹，主要用於彈頭蓋、方向舵、噴管、防護板、緊固件、導航儀、動平衡裝置等。鋯吸氫儲氫材料也用於導彈發射管。導彈點火後2 ~ 3 s內溫度從室溫升至4 000K左右，並伴有強烈的粒子侵蝕和燒蝕，因此對材料的要求非常嚴格。鎢銅材料能適應如此惡劣的工作環境。
英阿馬島戰爭後，阿方用價值6543.8+0億美元的導彈擊沈了壹艘價值6543.8+0億美元的英國巡洋艦，使各國進壹步認識到導彈的戰略作用，發展導彈技術。美國新的“戰區導彈防禦計劃”是以導彈為基礎的。各國還開發了導彈的其他應用，如短距離通信導彈、導彈魚雷等。前蘇聯在這壹領域擁有強大的力量。毫無疑問，導彈已經成為現代和未來高技術戰爭的主角，尤其是對發展中國家而言。
1.1.4穿甲彈
作為動能穿甲彈，鎢或鎢基高密度合金和硬質合金最經濟有效。
1.1.5易碎炸彈
易碎彈是壹種新研制的防空武器，用來對付入侵飛機，尤其是超音速飛機。其特點是在接近高速飛行目標時，可被飛行物的超聲波碾壓成彈幕，從而提高命中率。因此，要求彈丸具有較高的壓拉強度比，並攜帶巨大的動能。最新研究表明，鎢合金可以占據這個位置。
1.1.6電磁炮
電磁炮被認為是攔截導彈最有效的武器之壹。電磁炮的原理是利用電流和磁場相互作用產生的強大推力(洛倫茲力)發射炮彈。眾所周知，使用火藥發射炮彈的最高速度只有2km/s，而電磁炮的發射速度可以大大超過使用火藥，根據其理論可以達到光速(即每秒30萬km)。
美國之所以把電磁炮列入《戰略防禦計劃》，是因為電磁炮有很多優點，尤其是用電磁炮攔截來襲導彈非常精彩。可以精確攔截不同方向的目標。另外，電磁炮的使用可以在極短的時間內擴散成彈幕，讓我們從容應對高速入侵者，做到萬無壹失。與激光武器相比，電磁炮攻擊敵方衛星更有效:全天候、精確。其他發達國家也在研究電磁炮在反坦克炮或者高射炮上的使用。因為現有的坦克、武裝直升機或裝甲車的外殼已經是陶瓷復合裝甲，只有電磁炮才能穿透。
美國在電磁炮的研究上領先其他國家壹步。現在不僅發射了約10 ~ 20km/s速度的小型彈丸，還發射了約1kg重量的5 ~ 10km/s速度的試驗彈..電磁炮的關鍵是電磁軌道材料，必須具有優良的導電導熱、耐高溫等綜合性能，而耐火材料非它莫屬。目前，世界各國，尤其是日本，正在加緊追趕美國，積極組織，大力發展電磁炮，使其盡快應用於軍事等領域。
1.1.7磁性爆炸彈
磁爆彈的設計思路是基於“爆炸發電”。所謂“爆炸發電”，就是利用炸藥爆炸的巨大能量，瞬間產生極強的電流，使電流通過壹根導軌，立即在導軌周圍產生極強的磁場並輻射出去，從而實現磁爆，使敵方電子通信設備瞬間被摧毀或從此無法正常工作。據計算，在強力磁爆發生的瞬間，其功率可達654.38+0億千瓦。據說俄羅斯制造了壹種小型磁爆彈——電子彈，可以放在公文包裏，有效射程100m·m，同樣，導軌材料是關鍵，也是耐火材料。
1.1.8核潛艇和核動力航母
由於需要最有效地利用空間，軍用核動力船舶的安全和核保護更加重要。因此，需要性能更好的鋯、鉬、鎢材料。鈮合金具有良好的耐海水腐蝕性能。經過三年的試用，鈮合金零件依然光亮如新，可用於制作水下裝置(如壓力傳感器、潛艇探測用聲納探測器等)。
1.1.9射線武器屏蔽
原子彈、氫彈、中子彈等核武器的另壹個重要殺傷力是高能射線。而高密度物質有很好的輻射屏蔽效果，與中子吸收物質壹起使用可以得到很好的效果。
1.1.10裝甲材料
許多難熔金屬化合物具有優異的綜合性能，如高硬度、耐高溫、耐磨損和自增強等。它們是優良的裝甲材料，已用於坦克、武裝直升機、運兵車和防彈衣。
還有許多其他應用，如鈮合金用於飛機放氣控制閥、柔性加速計部件、平衡配重、衛星導航裝置、儲能裝置和精密儀器。
民用1.2
在和平時期，利用尖端軍事領域的成果會產生巨大的社會效益和經濟效益，比如用電磁炮技術合成新材料就是壹個很有前途的發展方向。電磁炮發射的炮彈擊中墻壁後，立即產生超高壓。比如壹個速度為3 ~ 5 km/s的彈丸，可以產生500 ~ 1.5萬個大氣壓。根據計算，如果速度達到10km/s，將產生10萬個大氣壓的壓力。目前研究結果表明，利用這種高壓可以合成許多新材料。例如，正在研究在654.38+00百萬大氣壓下生產固體氫塊，即所謂的金屬氫。
+0.2.1核工業
鋯是核工業中應用最廣泛的難熔金屬，主要是鋯管，其次是鎢和鉬。鋯具有良好的耐輻射性和水側耐腐蝕性，特別適用於清水和杜坎反應器的各種管道。
對於新壹代核反應堆，為了加強核安全，防止核泄漏，采用鎢基高密度合金的慣性儲能裝置，在事故發生後無需任何動力就能維持3 ~ 5分鐘的冷卻周期，為事故處理贏得寶貴的應急時間，防止核反應堆燒壞造成核泄漏。此外，由於新設計的關鍵部位采用了耐火材料，整體結構更加緊湊，從而可以將整個核反應堆密封起來，進壹步防止核泄漏的發生。萬壹核泄漏，核反應堆的另壹道屏障是鉬合金核燃料收集器。核燃料泄漏後，大量熔化的鈉流出來。熔融鈉具有強烈的腐蝕作用，泄漏後最高溫度可達65438±0200℃，而鉬合金對熔融鈉具有良好的耐腐蝕性。此外，難熔金屬和合金經常被用作核廢料的儲存罐。
鎢合金還用作冷核試驗的模擬材料，用於確定核彈和核反應堆的設計參數。
1.2.2電力和電子信息技術
鎢在民用上的傳統應用是電光源，自愛迪生發明電燈泡以來變化不大，但在向大功率方向發展，如鎢陰極陽極大功率氙燈、鈮合金管高壓鈉燈等。
在新壹代集成電路中，由於布線越來越細(目前可達0.2μm)，散熱和耐溫的要求將擴大對鎢鉬基板的需求，金屬化和封裝也將向耐火材料發展。高CV值的鉭鈮電容將進壹步擴大和小型化。耐火材料也廣泛用於電子工業，如支架、扣環和底座。鎢等難熔金屬在通信設備中也發揮著重要作用，從尋呼機的振動器到發射設備。
鎢合金和鎢銅復合材料具有良好的電子發射功能，是良好的電極材料，已廣泛應用於電火花加工、電力機車導向塊、超高壓開關和電力工業焊接等領域。鎢錸合金在很多場合已經取代鉑作為測溫熱電偶，高性能鎢錸絲也作為顯像管電子發射的材料進入千家萬戶。鉻和釩已廣泛用作電子顯微鏡和鍍膜玻璃的靶。
空間、海洋和醫學
21世紀是探索宇宙和開發海洋的世紀，所以許多國家都在積極準備建造空間站和海底世界，以期和平利用外層空間和海洋的寶庫。外太空有很多塵粒和太空垃圾，需要高強度的材料，能抵抗宇宙高能射線的照射。耐火材料在這裏有獨特的優勢。耐火材料廣泛用於前蘇聯的和平號空間站和美國的航天飛機。同樣，海水的腐蝕也是普通材料無法承受的。為了在海底建立永久的人類環境，鈦是最好的選擇。它不僅重量輕、強度高，而且具有良好的耐腐蝕性。
鈮合金具有良好的抗血液腐蝕能力，可用於制作血管支架。鎢、鎢鉬、鎢錸和鎢石墨在醫學上被用作X射線靶，拯救了無數生命。難熔金屬還用於超聲波碎石術的電極、多維自組裝射線光柵、伽瑪刀和超聲波聚能刀的準直器以及其他先進的醫療設備。
1.2.4其他
許多難熔金屬的非金屬化合物，如WC、Cr2C3、TiC、TiN、VC、ZrC、HfC、NbC、TaC和TiCN，都是優良的硬質材料。作為硬質合金和金屬陶瓷，它們已經成為現代工業的“牙齒”，在水泥陶瓷等建材、采礦、石化、勘探、冶金、電力等領域仍有很大的市場拓展能力。硬質合金頂錘作為壹種超高壓模具，為人造金剛石的廣泛應用做出了巨大貢獻，它需要同時承受6萬個大氣壓和1 500℃。
鎢和鉬已被廣泛用作在高溫爐中熔煉稀土的優良加熱器、隔熱罩、坩堝和支撐物。大型鎢鉬管、鉬電極、芯棒和料鬥已成功替代鉑，在玻璃和玻璃纖維行業取得了巨大的社會效益和經濟效益。鎢基熔劑用於分析鋼和有色金屬中的碳和硫。難熔金屬還用作紡織工業中的電刀、熔煉鋅的電熱元件和測溫套筒。銅擠壓等有色金屬加工行業使用的鎢基金屬陶瓷模具，可提高工作效率數十倍。
新壹代高溫合金和金屬間化合物中難熔金屬的含量將進壹步增加和優化，鉭、鈮強化的高溫合金和金屬間化合物將得到應用。鈮也是壹種潛在的超導材料。
此外，鈦已經成為繼鐵、鋁之後的第三大金屬，在國民經濟中發揮著巨大的作用，已經超出了原來難熔金屬的範疇。
2高性能耐火材料的發展趨勢
當今世界耐火材料的研究已經從傳統的“高純、超細、均質”發展到“納米化、復合化、設計化、集成制造化”。通過這些先進技術，難熔金屬不僅能保留其高熔點、耐腐蝕等優良性能，還能大大改善其易氧化、難制備等缺點。
難熔金屬在國外經歷了半個多世紀的發展，在中國也有40多年的發展歷史。耐火材料科學與工程的發展壹直緊跟鋼鐵材料的發展，根據自身特點開發適用技術。耐火材料的研究主要集中在:材料的塑脆轉變行為、高溫強度特性、制備工藝的優化、焊接、復合和增韌。圍繞這些內容的技術研發有:提純、細化、增韌、復合。
2.1“凈化”研究
它是指對耐火材料的凈化和加工過程中環境凈化程度的研究，對提高鎢鉬材料的塑性，降低其塑脆轉變溫度起著非常重要的作用。因為氧、氮等有害雜質會顯著提高塑脆轉變溫度，增加材料的脆性，使其難以加工。
我國耐火材料的“提純”大多是從氧化物提純開始的。對於鎢，通過溶劑萃取、離子交換和多次重結晶工藝提高APT的化學純度。現在可以生產出純度高於99.95%，總雜質含量低於65438±000mg/kg的APT，鎢粉純度高於99.99%。
國外正在用原子分子技術制備更高純度的耐火材料，耐火材料純度的提高會改善其致命的脆性和氧化性。而且現代VLSI工藝要求的高純度難熔金屬和單晶都是用高純粉末制備的。
2.2“精細化”研究
耐火材料的細化主要是指粉末的細化，這對耐火材料有著特殊的意義，因為大多數耐火材料都是采用粉末冶金工藝制備的，粉末的細化不僅可以提高強度、韌性等力學性能，而且有利於燒結。我國超微粉和超細粉的生產規模有所擴大，因為需要這類粉末制備超細晶粒組織的硬質合金，降低鎢坯和鉬坯的燒結溫度，獲得細晶組織坯。
近年來，國內外也開展了納米鎢粉、鉬粉和WC粉的研究以及用納米鎢粉制備W-Cu復合材料和硬質合金的探索。
2.3“增韌”研究
“強韌化”研究旨在提高難熔金屬材料的耐熱性和韌性。多年來，在摻雜條件的選擇、摻雜藍鎢的還原、粉末粒度及分布的控制等方面進行了重要的研究。，希望獲得更高的再結晶溫度和高溫強度。強化有兩種:單壹強化(使用壹種強化劑)和復合強化(使用兩種或兩種以上強化劑)。Mo-La2O3和Mo-La2O3-CeO2材料的強韌化研究，開發出可焊性優良的電極產品替代W-ThO2放射性材料，開發出封接燈泡玻璃用Mo-La2O3合金窄帶，優於目前廣泛使用的純鉬窄帶。目前，含稀土及其氧化物的難熔合金已成為壹個重要的研究課題。
2.4“復合”研究
在耐火材料的研究和開發中,“復合”的概念已被廣泛認可，它包括結構復合、機理復合和組織復合。目前，世界各國都在致力於發展多元復合耐火材料，這些材料具有優異的綜合性能。
2.5活化燒結的研究
耐火材料熔點高，難以燒結。活化燒結旨在降低燒結溫度，提高綜合性能。尤其是鎢的活化燒結更為實用。添加鎳活化燒結的研究已進行多年。近年來，納米粉體的添加取得了很大進展。例如，添加5%的納米鎢粉可使鎢的燒結溫度降低約200℃，力學性能提高約10%。
2.6制備工藝和設備的研究
世界上越來越多的國家重視制備技術和設備，許多先進的制備方法已經應用於耐火材料工業，並取得了顯著的效果。主要有等靜壓、等離子、高真空、高能粒子流、超聲波成形、微波燒結、電磁振動和單晶技術。
3中國在耐火材料領域的機遇、挑戰和對策
下壹個世紀，由於耐火材料的優缺點，其應用領域將進壹步擴大，其中鉭、鈮、鋯的增長最為迅速。與此同時，電子信息、能源和動力機械中耐火材料的用量將大幅增加，預計將增長2 ~ 3倍。因此，高性能耐火材料的市場前景非常廣闊。
中國耐火材料資源豐富。鎢、鉬、鉭、鈮探明工業儲量居世界前列。從資源的角度來看，可以說耐火材料行業屬於中國的優勢行業之壹。中國更有希望替代進口，提升產品水平，利用中國耐火材料資源優勢開拓國際市場。
從新中國成立到20世紀80年代初，我國耐火材料工業經歷了起步、崛起、工業化和穩步提高四個發展階段，進而形成了較為完整的生產和科研體系。80年代中期以來，進入新的發展時期，以科研開發為重點，提高深加工水平，提高經濟效益的發展戰略正在深入實施。主要成果如下:
(1)產能和產量大幅提升。到1995年底，全國已形成年產近7000噸耐火制品的生產能力，占世界同類產品總生產能力的30% ~ 40%。近三年實際產量近4 700t，約占世界總產量的1/3。
(2)產品品種和結構有較大改善；
(3)加工技術有了很大進步；
(4)經過攻關，壹批成果應用於國防、航空航天、電子信息、能源、石化、冶金和核工業等重要領域。
但是，其研發、深加工和品種結構與世界發達國家相比仍有較大差距，主要體現在:
(1)新材料、新工藝、新設備、基礎研究薄弱；
(2)新產品開發不足；
(3)生產廠家多，單體規模小，勞動生產率低；
(4)設備急需更新；
(5)研究儀器和設備的老化和短缺使耐火材料的正確表征和評價變得困難；
(6)缺乏對豐富資源的珍惜和保護，資源浪費嚴重，綜合利用率低。
因此，根據我國耐火材料工業的現狀和形勢，今後我國耐火材料的發展方向應是滿足國內各種需求，擴大精品產量，重點發展超純、特種、超大、超薄、超細產品，實施精品戰略。
耐火材料行業的發展目標是實現從初級產品擴張到結構優化的戰略轉變。戰略對策應是加快轉變難熔金屬工業發展戰略，樹立可持續發展的戰略思想，並貫穿於科研開發、制備加工、服務性能和市場四個關鍵環節。