近年来,在“绿色发展”的创新引领下,“节能减排”和“产业结构优化升级”已成为高温行业的共识并取得了长足发展。在此期间,实现耐火材料的轻量化逐渐成为行业共识。与传统重质耐火材料高体积密度,高热导率相比,轻量耐火材料在实现低体积密度,尤其是低热导率的同时,又能确保媲美重质耐火材料的使用性能,其成功应用将有益于高温行业热耗散大这一问题的解决。目前,关于轻量耐火材料的研究主要集中在轻量骨料的开发上,这是基于骨料的适当轻量化并不会显著降低耐火材料的使用性能这一判断。其中,骨料轻量化寄望于增加其闭气孔率,但这不可避免造成显气孔率的升高,这不利于确保其应用于耐火制品时应具备的良好的抗熔渣侵蚀以及力学性能。针对上述问题,本论文提出在耐火材料实现梯度密度结构的设计,并将其应用于刚玉-尖晶石质耐火材料,研究了基质组成、制备工艺等对该材料轻量化以及性能的影响,探讨了材料中梯度密度的形成机理,同时成功表征了这一结构;接着,研究了碳酸锶的添加对于轻量耐火材料基质中片状互锁结构的构筑以及对材料性能的影响;再次,研究了在该轻量耐火材料中引入氧化铝空心球后对其性能的影响,并基于此,在重质耐火材料中以较大添量引入氧化铝空心球从而实现耐火材料的轻量化。最后,通过对氧化铝空心球进行包覆处理,进一步研究了具有氧化铝包覆层的氧化铝空心球的引入对梯度密度耐火材料以及重质耐火材料轻量化及性能的影响。通过上述研究得到如下主要结论:（1）在氩气保护气氛下,耐火材料基质中的氧化镁与石墨在高温下发生碳热还原反应,在适当条件下通入氧气后,在耐火材料内部由于气相物质扩散（镁蒸气、氧气）与沉积反应（氧化镁与氧化铝反应生成镁铝尖晶石）之间的固有矛盾,导致耐火材料中表面生成的尖晶石量更多,表现为致密结构,内部生成的尖晶石量少,表现为疏松结构。这种梯度密度结构的存在有效降低了体积密度,实现了耐火材料的轻量化。且轻量化趋势随着基质中石墨和氧化镁的含量增加而更加明显。平行热线法检测结果显示其热导率比重质耐火材料的热导率显著降低。同时材料具有良好的力学性能以及抗钢渣侵蚀能力。（2）碳酸锶的添加及烧成过程中的分解有助于进一步实现轻量化,同时生成的氧化锶与基质中氧化镁、氧化铝及镁铝尖晶石等组分反应生成了片状化合物MgSrAl₁₀O₁₇,进而发展成为互锁结构。该结构的出现有利于在保持梯度密度结构的基础上进一步改善材料的力学性能。但由MgSrAl₁₀O₁₇在材料中的形成机理可知,其在材料内部也呈梯度分布,这加剧了梯度密度结构对轻量耐火材料热震稳定性的影响。（3）将氧化铝空心球引入轻量耐火材料后,由于其特有的球形中空结构,材料的轻量化趋势进一步加强,同时材料的力学性能也得到改善。表现在耐压强度以及荷重软化温度的升高。但也造成材料显气孔率过高,因此氧化铝空心球的添加量应保持在合理水平,以确保耐火材料的抗侵蚀性能不会因此而受到影响。（4）将氧化铝空心球以较大添量引入重质耐火材料后,直接有效实现了材料的轻量化,所获得的轻量耐火材料的热导率较重质耐火材料明显下降,同时材料的力学性能和抗渣性能也有所降低,但可以满足使用要求。（5）通过圆盘造粒对氧化铝空心球进行氧化铝微粉包覆处理,然后将颗粒在1650°C下进行烧结。将获得的具有氧化铝包覆层的空心球添加到梯度密度耐火材料中,发现相比较氧化铝空心球直接添加,当在梯度密度耐火材料中添加具有氧化铝包覆层的空心球时,试样的力学性能更加优良,尤其是,材料的热震性能得到显著提升,这主要是由于氧化铝涂层以互锁结构形式存在,这一结构可以有效改善热震性能。（6）将具有包覆层的氧化铝空心球引入到重质耐火材料中,发现同样可以实现耐火材料的轻量化,且确保良好的力学性能,相较直接添加氧化铝空心球,添加具有包覆层的氧化铝空心球试样的显气孔率较低,这有助于确保轻量耐火材料良好的抗钢渣侵蚀性能。