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煤气化技术是我国基于自身能源特点引进、吸收并创新的煤炭清洁高值高效利用技术。40余年,其所用耐火材料的研究仍停留在Cr2O3-Al2O3耐火材料体系,未有重大创新。在国家自然科学基金项目的持续支持下,本课题组率先提出和研究了潜力优势明显的碳化硅-氧化物复合无铬材料体系。为进一步改善无铬材料的高温力学性能、抗渣性、抗氧化性等气化炉服役关键性能,本课题提出金属Al复合调控材料物相组成和显微结构以提升复合材料关键服役性能的思路,开展了金属Al复合碳化硅-尖晶石耐火材料（SiC-MgAl2O4-Al）的研究,探讨了热处理温度和气氛对材料物相组成与显微结构演化及其对关键服役性能的影响规律,通过模拟煤气化环境的动态抗渣试验,验证了性能调控效果,分析了材料的损毁机理。探明了复合材料中金属Al在烧成过程的演化规律、最终产物物相及其对材料显微结构影响。对金属Al在氮气下的反应以及SiC-MgAl2O4-Al的显微结构和物相分析结果表明,Al反应后在材料内部孔隙间生成了以AlN为主的AlON、（A12OC）x·AlN（1-x）晶须状的固溶体。明晰了金属Al对SiC-MgAl2O4-Al的界面结合强化机制。对SiC-MgAl2O4-Al的显微结构和物相观察,结合热力学计算和对产物的晶体学分析,推断材料中生成的AlN分别与MgA204生成MgAlON、与2H SiC生成固溶体,以晶须形式将碳化硅颗粒和尖晶石粒子桥接,显著提高了材料的常温和高温力学性能。揭示了金属Al复合产生亲氧性更高的AlN提高SiC-MgAl2O4-Al的抗氧化性能的机理。SiC-MgAl2O4的抗氧化试验结果表明,材料中AlN与SiC氧化存在竞争性,因AlN亲氧性高于SiC,其优先氧化保护了碳化硅;同时晶须使材料构成微孔化的显微结构,一定程度上抑制了氧化性气体的渗入,也有利于材料抗氧化性能的提高。阐明了 SiC-MgAl2O4-Al渣蚀界面致密尖晶石层的形成机制及其对抗渣渗透性的影响。静态坩埚抗渣后的SEM分析和热力学计算结果表明,SiC-MgAl2O4-Al抗渣过程中Al的非氧化物组分降低了界面附近的氧分压,促使Mg蒸气压升高后迁移至反应界面处,形成了能阻止熔渣渗透的致密尖晶石层,提高了抗渣渗透性。明晰了 SiC-MgAl2O4-Al在热处理过程中的显微结构演化及其对材料力学性能的影响规律。对氮气下200～1 600℃热处理材料的物相组成、显微结构分析及性能测试结果表明,其常温和高温抗折强度随着材料内Al-O-C-N晶须含量的增多和尺寸的增大而提高。＜1 000℃,Al被氧化膜包裹,几乎未与N2反应,材料内无晶须生成,力学性能较低;1 000～1 300℃时,Al从氧化膜中逸出后与N2反应,Al-O-C-N晶须成核,力学性能开始提升;1 300～1 550℃,晶须发育长大,基质与SiC结合增强,同时与尖晶石的固溶反应加剧,力学性能再次大幅提升;1 600℃,Mg蒸气压升高,并参与二次尖晶石反应,促使晶须转化为板片状MgAlON,力学性能明显衰减。通过调整热处理温度,调控材料内Al-O-C-N晶须的物相组成、晶须含量和形貌等,实现材料物相组成与显微结构的调控,提升材料的力学性能。辨明了热处理气氛与材料中Al-O-C-N四元体系的物相组成和形貌的影响及其与材料力学性能的相关性,探明了氮气气氛下SiC-MgAl2O4-Al烧成存在尺寸效应,以及大尺寸材料烧成后易水化的原因。研究结果表明,本试验条件下埋炭烧成的低温阶段气氛中氧分压相对较高,Al被部分消耗且被较厚氧化膜包裹,而氮气气氛烧成全过程氧分压低且恒定,参与晶须生成反应的Al源含量更多,且可自由扩散,导致生成的Al-O-C-N晶须分散分布材料内,晶须更多且更大,复合材料的高温抗折强度为相同条件埋炭烧成试样的2倍。然而,氮气气氛烧成的大尺寸试样,因低温时Al在材料表面形成了阻塞气体交换的致密层,在试样内部Al与酚醛树脂热解C反应生成了 Al4C3,造成材料水化开裂。通过调节烧成气氛,调控Al-O-C-N的物相组成、含量和分布,不仅可避免材料的水化,也可提升材料高温抗折强度等力学性能。揭示了 SiC-MgAl2O4-Al煤渣侵蚀损毁机理,探明了 Al复合对抗渣性能的改善机制。模拟煤气化环境下的动态抗渣试验结果表明,SiC-MgAl2O4-Al与渣仅在反应界面处发生反应,SiC被渣中FeOx氧化后与MgAl2O4生成Al2O3-MgO-SiO2-CaO低熔相向渣中溶解;发现材料表层的AlN、SiC被氧化后与周围尖晶石形成Al2O3-MgO-SiO2高黏玻璃相,同时侵蚀界面处因Mg蒸气迁移形成尖晶石致密层。上述高黏度玻璃相与尖晶石致密层共同在反应界面处构筑了具有“自愈合”功能的防御屏障,延缓了熔渣和气体向材料内部侵入,提升了材料的抗渣性。通过上述研究,对比氧化铬材料的性能发现,SiC-MgAl2O4-Al具有更好的综合性能,绿色环保,具有作为水煤浆气化炉无铬炉衬材料的巨大潜力,其在实际煤气化环境下的抗氧化性需要进一步工业试验的评估。