黃天恒、徐建華、陳佑明 / 工研院材化所
近年來，中國憑藉低廉的人力成本與豐富的自然資源，大舉投入耐火材料產業，對台灣本土耐火材發展帶來嚴峻挑戰，產業發展面臨困境。在此背景下，推動產業朝向高價值耐火材料轉型已成為不可迴避的趨勢。本文將從高階特殊鋼用RH爐耐火材料與航空渦輪葉片所需耐高溫塗層等高值應用角度，探討發展高值耐火材料的可行性。同時，也將深入分析以鋁渣作為莫來石原料的再利用技術，進一步探討建立整體高值化循環經濟模式的潛力與可行性。
【內文精選】
鋁渣合成莫來石耐火材之高值應用
在眾多候選材料中，莫來石（Mullite，化學式3Al2O3·2SiO2）被認為是最具潛力的高性能陶瓷之一，其具有卓越的熱穩定性（熔點接近1,890˚C）、低熱膨脹性（20˚C至800˚C區間，熱膨脹係數僅5.0 × 10-6 K-1）、出色的高溫強度與蠕變抗力，廣泛應用於耐火磚、窯具、爐管、隔熱結構以及催化轉換基板等高溫環境之關鍵結構元件。然而，自然界中莫來石礦藏極其稀少，唯一已知產地僅見於英國蘇格蘭馬爾島，因此當前莫來石原料多為人工合成，並主要依賴純化學原料（如氧化鋁、二氧化矽）或利用天然鋁矽酸鹽礦物進行高溫合成，此類方式雖能穩定生產莫來石結晶，但在原料成本、碳排與資源永續性上仍具限制，因此，如何發掘經濟且環保的替代原料，成為近年莫來石研究發展的重點方向。
2005年，Ribeiro研究團隊研究將工業廢棄資源轉化為高性能耐火材料，選擇鋁陽極處理製程中廢水處理所產生的富含鋁廢渣作為主要原料，搭配其他廉價天然礦物資源，如球黏土、瓷土與矽藻土，開發以莫來石為主體的耐火陶瓷材料。此資源化利用方式不僅兼顧環保與成本效益，更為高溫材料領域提供了可持續發展的選項。研究中，團隊先將混合原料進行單軸乾壓成型（壓力為32 MPa），隨後在1,250˚C~1,650˚C的溫度範圍內進行燒結處理，以系統性地探討莫來石相的生成機制與微觀結構演變，有助於莫來石的生成，如圖四所示。
圖四 在不同燒結溫度下壓製莫來石材料的微觀結構影像(a) 1,350˚C；(b) 1,450˚C；(c) 1,550˚C；(d) 1,650˚C
渦輪葉片用之熱阻障塗層
為了提高燃氣輪機葉片和火箭發動機的高溫耐受性和抗腐蝕性，美國國家航空暨太空總署(NASA)旗下的Lewis研究中心早在1950年代就提出了熱阻障塗層的概念（圖六）。經過長期對塗層材料選擇和製備工藝的探索，終於在1980年代初期取得重大突破，為熱阻障塗層的實際應用奠定了堅實基礎。文獻顯示，目前先進的熱障塗層在工作環境下能使高溫發動機的熱端部件溫度降低170K。隨著熱障塗層在高溫發動機熱端部件上的應用，人們意識到其不僅能提高基材的抗高溫腐蝕能力，進一步提升發動機工作溫度，還能降低燃料消耗、提高效率，並延長熱端零件的使用壽命。與熱阻障塗層的研究成本相比，開發新的高溫合金材料較低，並易於實現----以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六 渦輪引擎葉片表面材料結構
★本文節錄自《工業材料雜誌》466期，更多資料請見下方附檔。