王玉龍，王周福，王璽堂，劉 浩，馬 妍，姜鵬程

(武漢科技大學，省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，武漢 430081)

0 引 言

耐火材料是高溫工業(yè)不可或缺的基礎材料[1-3]，沒有先進的耐火材料作為支撐，冶金、石油等需要進行高溫過程的國家基礎工業(yè)便難以健康發(fā)展[4]。因此，堅持不懈地發(fā)展耐火材料行業(yè)，也是社會持續(xù)發(fā)展的必然需要。隨著相關(guān)研究的不斷深入，文獻的積累也越來越多(見圖1)，然而，目前針對這些文獻尚未有全面、定量、深入的分析與歸納，不利于系統(tǒng)地把握耐火材料研究的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。

圖1 耐火材料相關(guān)文獻的年發(fā)文統(tǒng)計Fig.1 Annual statistics of relevant literature on refractories

要掌握研究領域的知識基礎及前沿熱點，傳統(tǒng)的方法是閱讀文獻綜述。但是，傳統(tǒng)的綜述寫作效率不高，在數(shù)量和時效性上受限，因此采用該方法對相關(guān)信息的了解不能確保全面和及時[5-6]。面對日新月異、增長迅猛的知識海洋，亟需采用新的工具解決在未來研究中遇到的新挑戰(zhàn)。比如知識圖譜方法就可以幫助相關(guān)研究人員從已有的海量學術(shù)數(shù)據(jù)(特別是文獻數(shù)據(jù))中更為全面、及時地提取相關(guān)知識結(jié)構(gòu)、研究熱點和主題分布等諸多信息。本文選取了VOSviewer和CiteSpace這兩個具有代表性的知識圖譜分析工具，并基于中國知網(wǎng)(CNKI)中文核心期刊數(shù)據(jù)庫和WOS(Web of Science)核心合集數(shù)據(jù)庫，對兩個數(shù)據(jù)庫中的耐火材料研究分別進行了可視化分析，通過共現(xiàn)網(wǎng)絡和共被引網(wǎng)絡從整體上展示了基于期刊文獻分析的耐火材料研究的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，并以含碳耐火材料為例，展示了細分研究領域的近年熱點以及發(fā)展方向，最后對耐火材料及知識圖譜的未來發(fā)展作出了展望。

1 中國耐火材料研究發(fā)展脈絡

為歸納出中國耐火材料研究概況，選取CNKI中文核心期刊數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)來源。該數(shù)據(jù)庫的文獻采集于2022年5月12日，以“耐火材料”為主題詞進行檢索，文獻類型選擇學術(shù)期刊，共得文獻4 939篇，時間跨度為1992—2022年。

關(guān)鍵詞往往被認為是文獻內(nèi)容的高度凝練，因此將信息導入VOSviewer，將文獻中的關(guān)鍵詞(出現(xiàn)次數(shù)不少于30次)共現(xiàn)網(wǎng)絡繪于圖2(節(jié)點大小代表出現(xiàn)次數(shù)，顏色深淺代表平均出現(xiàn)時間，連線寬度代表共同出現(xiàn)的強度)。

圖2 中國耐火材料研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡Fig.2 Keywords co-occurrence network of Chinese refractory researches

由圖2可以觀察研究論文中的高頻關(guān)鍵詞，它們之間共同出現(xiàn)的幾率大小以及關(guān)鍵詞隨時間的演化狀況?？梢园l(fā)現(xiàn)，除“耐火材料”這一標識研究領域的關(guān)鍵詞外，時間較早的關(guān)鍵詞如“高爐”“內(nèi)襯”“鋼包”“連鑄”“耐火纖維”“涂料”“熔模鑄造”等主要集中于耐火材料的工程應用場景，而時間較新的關(guān)鍵詞如“熱導率”“抗氧化性”“抗熱震性”“抗侵蝕性”“燒結(jié)性能”“相組成”“顯微結(jié)構(gòu)”等帶有較強的科學研究性質(zhì)，說明了中國耐火材料研究逐漸專業(yè)化、精細化與理論化。為了進一步深入了解文獻中的關(guān)鍵詞演變規(guī)律，使用CiteSpace計算出各典型關(guān)鍵詞出現(xiàn)的突發(fā)(指出現(xiàn)量大增)數(shù)據(jù)，人工分類后列入表1。

表1 知網(wǎng)期刊中典型耐火材料研究關(guān)鍵詞的突發(fā)強度及年份Table 1 Burstness and year of typical refractory research keywords in CNKI journals

依據(jù)表1可以通過關(guān)鍵詞更加詳細地了解中國耐火材料研究的側(cè)重點演變，并與關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡相互印證：在20世紀90年代至本世紀初，耐火材料的研究大部分圍繞實際應用場景與材料供貨狀態(tài)，前者的典型關(guān)鍵詞有“加熱爐”“高爐”“直流電弧爐”“循環(huán)流化床鍋爐”等，后者的典型關(guān)鍵詞有“耐火磚”“耐火纖維”“耐火澆注料”等；而從21世紀初至今，耐火材料的主要研究陣地從耐火材料制造企業(yè)逐漸轉(zhuǎn)移到專門的研究機構(gòu)，因此研究呈現(xiàn)出精細化、體系化的特點，即對耐火材料的各項性能、微觀結(jié)構(gòu)、物相組成以及它們之間的關(guān)系進行了較深入的研究，并開始考慮耐火材料及其接觸的介質(zhì)在應用體系中的變化過程，典型關(guān)鍵詞有“燒結(jié)”“強度”“抗熱震性”“顯微結(jié)構(gòu)”“物相組成”“界面反應”“夾雜物”等。

2 世界耐火材料研究發(fā)展脈絡

為歸納出世界耐火材料研究概況，選取Web of Science(WOS)核心合集數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)來源。該數(shù)據(jù)庫的文獻采集于2022年5月20日，以“refractory(主題)not alloy(主題)not entropy(主題)”進行檢索，文章類型選擇“論文”或“綜述論文”，文章領域選擇“Materials Science Ceramics or Materials Science Multidisciplinary or Metallurgy Metallurgical Engineering”，共得文獻10 329篇，時間跨度為1917—2022年。

2.1 世界耐火材料研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

文獻的關(guān)鍵詞是內(nèi)容的高度概括，因此將相關(guān)信息導入VOSviewer，將關(guān)鍵詞(出現(xiàn)次數(shù)不少于110次)共現(xiàn)網(wǎng)絡繪于圖3(節(jié)點大小代表出現(xiàn)次數(shù)，顏色深淺代表平均出現(xiàn)時間，連線寬度代表共同出現(xiàn)的強度)。

在文獻的高頻關(guān)鍵詞中，除了標識研究領域的“refractories”外，可以發(fā)現(xiàn)較早的研究更加注重耐火材料的材質(zhì)選擇，代表性關(guān)鍵詞有“Al2O3”“MgO”“ceramics”“mullite”等；隨后的研究則更注重耐火材料抗渣性相關(guān)的研究，代表性關(guān)鍵詞有“slag”“dissolution”“kinetics”“corrosion”“spinel”“carbon”“graphite”“oxidation”等；至于當今的研究熱點，應該是耐火材料精細結(jié)構(gòu)的研究、反應過程與機理的探索，代表性關(guān)鍵詞有“microstructure”“behavior”“evolution”“mechanism”等。

為了進一步深入了解世界耐火材料研究中關(guān)鍵詞的具體演化過程，將文獻信息導入CiteSpace計算出代表性關(guān)鍵詞的突發(fā)情況，并人工分類列于表2。結(jié)合表1與表2，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于耐火材料的研究熱點無論在中國還是在全世界都是相似的：早期耐火材料的研究都是緊緊圍繞工業(yè)上的應用場景，代表性關(guān)鍵詞有“continuous casting(連鑄)”“immersion nozzle(浸入式水口)”“blast furnace(高爐)”等；稍后的研究則更關(guān)注耐火材料的單項性能，代表性關(guān)鍵詞有“thermal shock(抗熱震性相關(guān))”“dissolution(抗渣性相關(guān))”“thermal expansion(熱膨脹性能相關(guān))”等；而到了接近現(xiàn)在的時間，由于各種先進技術(shù)的采用，耐火材料的研究也進入了更加精細的階段，代表性關(guān)鍵詞有“electron microscopy”“X-ray diffraction”“nanostructure”等。不僅如此，對關(guān)鍵詞突發(fā)的探測還可以發(fā)現(xiàn)不同時期文獻使用的關(guān)鍵詞偏好等信息，比如英文指代“耐火材料”的關(guān)鍵詞(未列入表中)，就由“refractory”(1994—2009年)逐漸改變?yōu)椤皉efractory material”(2007—2014年)或“refractory concretes”(2009—2012年)。

圖3 世界耐火材料研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡Fig.3 Keywords co-occurrence network of world refractory researches

表2 WOS期刊中典型耐火材料研究關(guān)鍵詞的突發(fā)強度及年份Table 2 Burstness and year of typical refractory research keywords in WOS journals

2.2 世界耐火材料研究的術(shù)語共現(xiàn)分析

雖然關(guān)鍵詞是作者對文獻內(nèi)容的凝練，但畢竟其只有數(shù)個詞或詞組，有時可能難以傳達出足夠的信息，所以為深入了解文獻，研究者開發(fā)了針對英文文本的算法來進行名詞性術(shù)語提取(有時也被稱為主題挖掘)[7]。在VOSviewer和CiteSpace中均內(nèi)嵌了此功能，以在英文文獻的標題、關(guān)鍵詞、摘要文本中提取具有代表性的名詞性短語。將數(shù)據(jù)分別導入，繪制出術(shù)語(出現(xiàn)次數(shù)不少于250次)的共現(xiàn)網(wǎng)絡(見圖4)及突發(fā)性表(見表3)。

對比名詞性術(shù)語與關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡與突發(fā)性狀況，首先，可以判斷此二者得到的知識基本結(jié)構(gòu)是類似的；其次，由篩選閾值容易發(fā)現(xiàn)提取出的名詞短語數(shù)量遠遠多于關(guān)鍵詞(包括作者關(guān)鍵詞加上WOS數(shù)據(jù)庫添加的擴展關(guān)鍵詞)，而且這些術(shù)語中包含著比關(guān)鍵詞更豐富的細節(jié)信息。在早期圍繞工業(yè)應用的耐火材料研究時期，提取出的代表性術(shù)語既有表征耐火材料供貨特征的“refractory product(耐火產(chǎn)品)”“refractory lining(耐火襯)”“refractory component(耐火部件)”等，也有反應耐火材料應用場景特點的“structural materials(結(jié)構(gòu)材料)”“high temperatures(高溫)”“molten steel(熔鋼)”等，以及反應耐火材料材質(zhì)特征的“refractory oxides(耐火氧化物)”“basic refractories(堿性耐火材料)”“ceramic materials(陶瓷材料)”“periclase-carbon refractories(方鎂石-碳耐火材料)”等。到了接近現(xiàn)在的研究時期，術(shù)語探測的結(jié)果不僅印證了關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡中關(guān)于新技術(shù)的應用、研究的精細化與理論化的結(jié)論，還指出了添加劑的合成與應用是關(guān)于耐火材料的一個較新研究方向，相關(guān)的術(shù)語有“synthesis(合成)”“addition(添加)”“titanium nitride(氮化鈦)”等。由以上分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用提取的名詞性術(shù)語相比于直接使用關(guān)鍵詞能夠有效加深對文獻的認識深度，未來有望獲得更大的發(fā)展。

圖4 世界耐火材料研究的術(shù)語共現(xiàn)網(wǎng)絡Fig.4 Terms co-occurrence network of world refractory researches

表3 WOS期刊中典型耐火材料研究術(shù)語的突發(fā)強度及年份Table 3 Burstness and year of typical refractory research terms in WOS journals

2.3 世界耐火材料研究的共被引分析

對于WOS核心數(shù)據(jù)庫中的文獻，由于可以導出包含參考文獻在內(nèi)的較完整信息，因此可對其進行更深入的分析，其中最具代表性的就是共被引分析。共被引分析是對文獻的各參考文獻進行對比分析的一種分析方法，它的優(yōu)勢在于可以將眾多作者對被引文獻之間的關(guān)系認知歸納起來，并以可視化的方法加以呈現(xiàn)，從而構(gòu)建橫跨多個學科領域的知識網(wǎng)絡，并有助于新知識的發(fā)現(xiàn)。導入信息后，用VOSviewer將期刊(被引次數(shù)不少于700次)的共被引網(wǎng)絡繪于圖5(節(jié)點大小表示被引次數(shù)，連線表示共被引強度，顏色深淺表示類別)，并用CiteSpace將文獻共被引網(wǎng)絡的最大子網(wǎng)絡繪于圖6(節(jié)點表示文獻，顏色深淺表示聚類)。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，世界耐火材料研究所引用的論文發(fā)表期刊可以容易地被分為4個類別，分別是以Science，Nature期刊為代表的基礎研究類期刊；以JournaloftheAmericanCeramicSociety，Ceramicsinternational，JournaloftheEuropeanCeramicSociety三大陶瓷期刊為代表的陶瓷方向?qū)嶋H應用類期刊；以及介于前兩類之間的兼顧基礎研究與實際應用的期刊類型，其代表是ActaMaterialia,JournalofAlloysandCompounds，MaterialsScienceandEngineeringA等；最后一類期刊是與耐火材料的重要應用場景-鋼鐵冶煉有關(guān)的，代表有MetallurgicalandMaterialsTransactionsB，ISIJInternationalernational,IronmakingandSteelmaking等。這些期刊構(gòu)成的共被引網(wǎng)絡清晰地描繪出了本領域及相關(guān)領域的知識網(wǎng)絡框架-由物理、化學理論基礎到陶瓷領域的實驗室實驗，最后到工業(yè)領域的實際試驗。更難能可貴的是，這個知識構(gòu)架的形成并非由一位或少數(shù)幾位學者憑借經(jīng)驗或者自身的閱讀體會對相關(guān)期刊做出的歸納，而是通過計算機歸納眾多作者的大量文獻而自動生成的關(guān)系網(wǎng)絡，更具有客觀性，可以想見，在知識大爆炸的未來，該方法會得到更加廣闊的應用。

圖5 世界耐火材料研究引用期刊的共被引網(wǎng)絡Fig.5 Co-citation network of journals cited in world refractory researches

圖6為文獻的共被引網(wǎng)絡的最大子網(wǎng)絡(包含1 744篇文獻)，使用CiteSpace軟件的譜聚類功能對各文獻進行了自動聚類(將強聯(lián)系的節(jié)點分組在一起，并將弱聯(lián)系的節(jié)點分配給不同的組，得到的包含不同節(jié)點的組也稱為聚類)，并在軟件輔助+人工監(jiān)督的條件下對聚類進行了命名[8]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)耐火材料研究的文獻具有十七個較大聚類，分別是“carbon containing refractory(含碳耐火材料)”“refractory castable(耐火澆注料)”“microstructural evolution(微觀結(jié)構(gòu)演化)”“rotary kiln(回轉(zhuǎn)窯耐火材料)”“copper-making(銅冶金耐火材料)”“steel-making(鋼鐵冶金耐火材料)”“aluminate cement(鋁酸鹽水泥)”“boride(硼化物)”“thermal shock behavior(熱震行為)”“hydration resistance(抗水化性)”“cement-free refractory(無水泥耐火材料)”“spinel containing refractory(含尖晶石耐火材料)”“andalusite-based refractory(紅柱石基耐火材料)”“fracture behavior(斷裂行為)”“oxidation behavior(氧化行為)”“refractory and inclusion(耐火材料與夾雜物)”“nanoscaled additive(納米添加劑)”。雖然這些聚類的劃分在分類學的角度上未必合理(由于分類標準不一)，而且某些文獻往往可以歸屬于多個聚類(在聚類填充展示中可以發(fā)現(xiàn)某些聚類存在顯著的區(qū)域重疊)，但這些聚類名稱仍然可以代表耐火材料在不同角度上的研究重點。不僅如此，聚類重疊區(qū)域中的文獻還可以直觀地指示出此類研究的不同側(cè)重點，這點也優(yōu)于邊界清晰的傳統(tǒng)文獻分類法。

在文獻共被引的分析中，除了可以觀察網(wǎng)絡的整體結(jié)構(gòu)以了解領域的研究概況外，還可以探測出高突發(fā)被引的文獻(見表4)。由表4可以從引用次數(shù)的突發(fā)性增長角度發(fā)現(xiàn)耐火材料研究領域的重要論文，如文獻[9]講述了耐火材料與玻璃/熔渣/大氣反應在高溫下生成保護層的研究在20世紀的發(fā)展；文獻[10]研究了鋁酸鈣結(jié)合氧化鋁-尖晶石澆注料中原位尖晶石的形成；文獻[11]講述了含碳與不含碳的耐火材料在高溫下被侵蝕的機理；文獻[12]講述了含碳耐火材料的基本情況；文獻[13]研究了二氧化鈦和鋁添加對鎂碳耐火材料抗氧化性和力學性能的影響；文獻[14]介紹了耐火材料中的重要成員之一 ——莫來石；文獻[15]比較了鋁、硅、碳化硅、碳化硼作為鎂碳耐火材料抗氧化劑的作用效果；文獻[16]介紹了含尖晶石的氧化鋁基耐火澆注料；文獻[17]研究了納米鋁酸鎂尖晶石、氧化鋁納米片、碳納米管幾種納米添加劑對鋁碳耐火材料的抗熱震等性能的影響；文獻[18]研究了納米碳的使用對低碳鎂碳耐火材料性能的影響。對比這十篇文獻，可以發(fā)現(xiàn)文獻[9，11-12，14，16]都是綜述，分別介紹了耐火材料的幾種重要成員以及耐火材料的侵蝕與保護機理；而在幾篇研究論文中，除文獻[10]是研究結(jié)構(gòu)的原位生成過程外，其他均是研究新基質(zhì)成分的引入對耐火材料性能的影響。通過對這幾篇論文的研讀，可以對本領域的研究主流形成整體認識，如耐火材料的重要類別、耐火材料的損毀與保護、耐火材料的重要改進方法等，也就是說通過這種方法可以在浩如煙海的文獻資料中迅速找出具有代表性的論文，從而了解領域的發(fā)展概況。

圖6 世界耐火材料研究的文獻共被引網(wǎng)絡Fig.6 Co-citation network of world refractory research literatures

表4 WOS期刊中耐火材料研究的10篇代表性突發(fā)被引論文Table 4 10 representative papers on refractory research in WOS journals-high burstness

在文獻科學計量的指標中，除了衡量時間重要性的突發(fā)強度(Burstness)外，還有衡量節(jié)點在網(wǎng)絡中重要性的指標中介中心性(Betweeness Centrality，常寫作Centrality)，由于整體上耐火材料在現(xiàn)有領域的研究比較成熟，各聚類間聯(lián)系較多，所以文獻節(jié)點的中介中心性均較低，此處不做舉例。而將前兩者復合起來可以構(gòu)造為測度節(jié)點新穎性的指標Sigma(=(Centrality+1)Burstness)[8]。將CiteSpace統(tǒng)計出的高Sigma值論文列于表5。

在高Sigma值的十篇論文中，除去高突發(fā)性表中出現(xiàn)過的文獻[9,13,16]，文獻[19]研究了不同種類含尖晶石澆注料的抗堿渣能力；文獻[20]比較了不同種類尖晶石對澆注料性能的影響；文獻[21]介紹了難熔硼化物二硼化鋯和二硼化鉿的各項基本性能；文獻[22]研究了耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)對其最大載荷與斷裂能的影響；文獻[23]研究了原位尖晶石的形成對鎂碳耐火材料顯微結(jié)構(gòu)與物相演變的影響；文獻[24]研究了碳化硼和硼化鎂的加入對鎂碳耐火材料性能的影響；文獻[25]研究了鎂砂粒度對原位生成尖晶石的耐火澆注料微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響。對比高Sigma值的十篇文獻，除文獻[9,16,21]是分別介紹耐火材料的自保護、含尖晶石澆注料和難熔硼化物的綜述外，文獻[19-20,23,25]均是與含尖晶石耐火材料相關(guān)的研究論文，文獻[13,24]研究了添加劑對耐火材料性能的影響，而文獻[22]則研究了顯微結(jié)構(gòu)耐火材料斷裂行為的影響。由此可見，耐火材料研究領域中，以往的高新穎性(Sigma值)論文的主題主要集中在對含尖晶石耐火材料及添加劑的研究上，因此將來的創(chuàng)新也可從這兩個方向入手，或者在吸收前人文獻精華的基礎上開創(chuàng)新的研究方向。另外，不難發(fā)現(xiàn)高Sigma值論文的研究主題與前文分析中的文獻聚類名稱可在較大程度上匹配，這就既說明了聚類命名的合理性，又證實了該方法選擇文獻的代表性。

表5 WOS期刊中耐火材料研究的10篇代表性高Sigma值論文Table 5 10 representative papers on refractory research in WOS journals-high Sigma

3 含碳耐火材料的研究熱點及未來趨勢

在前文中，不難發(fā)現(xiàn)由于分析領域的時間跨度大而范圍廣，所得到的代表性知識單元(特別是文獻)均屬于較早期的研究，且主題也較分散，對于目前最新的研究熱點及未來發(fā)展方向的指示作用較小。為解決這個問題，需要選取具有更明確主題的新文獻進行分析。結(jié)合上節(jié)結(jié)果，選取Web of Science(WOS)核心合集數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)來源，以“refractory(主題)and carbon(主題)not alloy(主題)not entropy(主題)”進行檢索，文章類型選擇“論文”或“綜述論文”，文章領域選擇“Materials Science Ceramics or Materials Science Multidisciplinary or Metallurgy Metallurgical Engineering”，共得文獻768篇，時間跨度為2012—2022年(檢索時間2022年5月27日)。

3.1 世界含碳耐火材料研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

為了從整體上了解含碳耐火材料的近期發(fā)展狀況，在VOSviewer中導入相關(guān)文獻信息，將關(guān)鍵詞(出現(xiàn)次數(shù)不少于20次)共現(xiàn)網(wǎng)絡繪于圖7(節(jié)點大小代表出現(xiàn)次數(shù)，顏色深淺代表平均出現(xiàn)時間，連線寬度代表共同出現(xiàn)的強度)，并使用CiteSpace探測出突發(fā)關(guān)鍵詞列入表6。

結(jié)合圖7和表6，不難發(fā)現(xiàn)含碳耐火材料中最主要的材料體系有兩種-鎂碳耐火材料(MgO-C refractory)和鋁碳耐火材料(Al2O3-C refractory)；關(guān)心的主要性能有四種，分別為機械性能(mechanical properties)、抗熱震性能(thermal shock resistance)、抗侵蝕性(corrosion)和抗氧化性(oxidation resistance)；而對于不同的研究主要的側(cè)重點有三類，分別是注重效果的“性能”(performance)、注重過程的“行為”(behavior)以及注重基本規(guī)律的“機理”(mechanism)。從關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(見圖7)還可發(fā)現(xiàn)，在含碳耐火材料的研究中，機械性能受到了最多關(guān)注，這是因為其不僅與其他性能有著直接或間接的聯(lián)系，與材料的微觀結(jié)構(gòu)(microstructures)、原料特征(如石墨“graphite”、石墨烯“graphene”、碳納米管“carbon nanotubes”、納米碳“nanocarbon”等)、原位相的生成(如“Al”“silicon”“whiskers”等關(guān)鍵詞)等也有著緊密的聯(lián)系。而從表6中則可以進一步發(fā)現(xiàn)，在近幾年含碳耐火材料的抗侵蝕性(corrosion)也開始吸引學者們更多的注意，較主流的做法是使用涂層(coating)等方法對耐火材料的碳源等原料進行表面(surface)處理，對其起到一定保護作用，從而提高材料的抗侵蝕性；不僅如此，由于技術(shù)手段的不斷發(fā)展，科學研究也愈加細致，對于表/界面(surface)反應的相關(guān)研究也得到了進一步深入。

圖7 世界含碳耐火材料研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡Fig.7 Keywords co-occurrence network of world carbon containing refractory researches

表6 WOS期刊中典型耐火材料研究關(guān)鍵詞的突發(fā)強度及年份Table 6 Burstness and year of typical carbon containing refractory research keywords in WOS Journals

3.2 世界含碳耐火材料研究的文獻共被引分析

為進一步了解含碳耐火材料的詳細研究現(xiàn)狀，需要進行共被引分析，而在文獻數(shù)據(jù)庫的知識網(wǎng)絡分析中，最基本的知識單元或者說最直接的信息來源就是文獻，因此用CiteSpace將文獻共被引網(wǎng)絡的最大子網(wǎng)絡繪于圖8(節(jié)點表示文獻，其顏色深淺表示聚類)。

在圖8中使用CiteSpace軟件對含碳耐火材料文獻共被引網(wǎng)絡的最大子網(wǎng)絡進行了自動聚類，并在人工監(jiān)督下對聚類進行了命名。從圖中可以發(fā)現(xiàn)含碳耐火材料研究的文獻具有十七個較大聚類，分別是“mechanical properties(機械性能)”“aluminate cement(鋁酸鹽水泥)”“SiC whiskers(碳化硅晶須)”“firing temperature(煅燒溫度)”“oxidation behavior(氧化行為)”“in-situ synthesis(原位合成)”“MgO-C refractory(鎂碳耐火材料)”“Al2O3-C refractory(鋁碳耐火材料)”“microstructure(微觀結(jié)構(gòu))”“flash ironmaking condition(閃速煉鐵條件)”“catalytic graphitization(催化石墨化)”“treated graphite(預處理石墨)”“carbon-bonded alumina foam filter(碳結(jié)合氧化鋁泡沫過濾器)”“thermal shock resistance(抗熱震性)”“nanoscaled additive(納米添加劑)”“micropore carbon material(微孔碳材料)”“corrosion resistance(抗侵蝕性)”。這些聚類命名都在不同程度上反映了含碳耐火材料的重點研究方向，與耐火材料領域中整體突出的研究方向相比，本細分領域中既有與其相同的方向，如“抗熱震性”與“納米添加劑”等；也有自己的特色研究方向，如“碳化硅晶須”“鎂碳耐火材料”“鋁碳耐火材料”“催化石墨化”“預處理石墨”“碳結(jié)合氧化鋁泡沫過濾器”“微孔碳材料”等。正如研究具體材料時可以在不同的結(jié)構(gòu)尺度上得到不同卻又有聯(lián)系的諸多信息，以上結(jié)果說明了在知識圖譜的不同層次視野下也能發(fā)現(xiàn)不盡相同的各種信息(即不同層次領域內(nèi)的一般與特殊研究)，因此在使用此類工具時應根據(jù)需要選擇合適的研究層次，落實到具體操作上，就是要選擇合適的檢索條件。

圖8 世界耐火材料研究的文獻共被引網(wǎng)絡Fig.8 Co-citation network of world carbon containing refractory research literature

在文獻共被引的網(wǎng)絡中除了可以分析網(wǎng)絡的整體結(jié)構(gòu)外，還可從高突發(fā)被引的文獻(見表7)中發(fā)現(xiàn)領域中的重要論文，如文獻[26]研究了二氧化鈦添加對耐火材料抗熱震性的提高；文獻[27]研究了多層石墨烯的添加對氮化硅基復合材料結(jié)構(gòu)和力學性能的影響；文獻[28]研究了含鋁、硅、碳化硼的鎂碳耐火材料在高溫下發(fā)生的化學反應及由此形成的微觀結(jié)構(gòu)；文獻[29]研究了鱗片石墨和炭黑分別作為碳源對原位生成碳化硅形貌和鋁碳耐火材料力學性能的影響；文獻[30]提出了脆性陶瓷在熱沖擊下裂紋擴展的斷裂力學理論；文獻[31]研究了不同含量的原位多層石墨烯/尖晶石復合粉末對低碳鎂碳耐火材料抗渣性、熱震性和抗氧化性的影響；文獻[32]在膨脹石墨表面原位生長了碳化硅等晶須，并研究了其在鋁碳耐火材料中的應用效果；文獻[33]合成了單相Al4O4C，并研究了其添加對鎂碳耐火材料抗氧化性能的影響；另外，文獻[13]與文獻[17]在整個耐火材料研究領域中均有較高的突發(fā)被引，因而在上文中已描述過。

表7 WOS期刊中含碳耐火材料研究的10篇代表性突發(fā)被引論文Table 7 10 representative papers on refractory research in WOS journals-high burstness

這十篇文獻中有七篇研究添加劑的引入對材料性能的影響，余下的三篇中，文獻[29，32]研究了不同碳源對材料性能的影響，文獻[30]則是關(guān)于耐火材料抗熱震性的經(jīng)典理論論文。不難發(fā)現(xiàn)，在含碳耐火材料的研究中，從工藝手段上來說，添加劑的研究是目前最主要的熱點，而碳源的選擇與改性也是研究熱點之一；而從研究的側(cè)重點來說，對材料的抗熱震性等性能和微觀結(jié)構(gòu)的分析目前受到了廣泛的關(guān)注。通過對這幾篇論文的研讀，可以對本領域的研究趨勢形成整體認識，如含碳耐火材料的主流改進方法、對含碳耐火材料的主要關(guān)注方面等，通過這種細分的知識網(wǎng)絡分析方法可以輔助相關(guān)研究者選擇研究方向與重點，把握最新的研究趨勢，緊跟研究熱點，以含碳耐火材料為例，從添加劑或者碳源的角度進行研究規(guī)劃，并在研究中注重材料的抗熱震性及微觀結(jié)構(gòu)分析是比較符合目前主流趨勢的。

上文提及了衡量節(jié)點在網(wǎng)絡中重要性的指標——中介中心性(Centrality)，一般認為中介中心性大于0.1的節(jié)點屬于關(guān)鍵節(jié)點(又稱轉(zhuǎn)折點)，是連接不同聚類間的重要節(jié)點(如聚類18的兩端節(jié)點)，它們將網(wǎng)絡中原本沒有顯性關(guān)系的聚類連接到了一起，因此常被認為與創(chuàng)新有關(guān)。將檢索文獻中高中介中心性被引論文列于表8。

表8 WOS期刊中含碳耐火材料研究的代表性高中介中心性被引論文Table 8 Representative papers on refractory research in WOS journals-high centrality

在這七篇論文中，文獻[34]研究了強制對流條件下渣中氧化鎂耐火材料的損毀；文獻[35]研究了鎂碳耐火材料與渣的反應侵蝕機理與動力學；文獻[36]研究了Al2O3-SiC-SiO2-C耐火材料原位化學反應及其與渣的相互作用；文獻[37]研究了氧化錳對高鋁渣黏度及渣中耐火材料侵蝕行為的影響；文獻[38]研究了耐火材料與鋼液的反應機理；文獻[39]研究了鋁碳浸入式水口與鋼的反應速率。不難發(fā)現(xiàn)，高中介中心性的文獻主要集中于鋼/渣與耐火材料相互作用的研究方向。這是由于在冶金中通常需要耐火材料來盛裝高溫的液態(tài)熔體，而冶金過程還常會帶來各種成分不同的渣，因此在一方面，耐火材料會受到高溫熔體的機械沖刷和熔渣的化學侵蝕，從而受到破壞；而在另一方面，冶煉的高溫熔體及其附帶的熔渣由于與耐火材料的反應，會改變自身原有的成分，會造成熔體增碳、增加夾雜等后果。也就是說，借由冶煉熔體(如鋼鐵熔體等)及其熔渣與耐火材料反應的研究，將原本在研究上界限較分明的冶金學領域與耐火材料學領域聯(lián)系到了一起，起到了知識橋梁的作用，不僅有助于更加全面地了解實際狀況中的科學問題，也提供了跨領域的視角，有助于學術(shù)創(chuàng)新。

除突發(fā)性與中介中心性外，兩者的復合-測度節(jié)點新穎性的指標Sigma也有一定參考價值，將CiteSpace統(tǒng)計出的高Sigma值論文列于表9。

表9 WOS期刊中含碳耐火材料研究的代表性高Sigma值被引論文Table 9 Representative papers on refractory research in WOS journals-high sigma

在高Sigma值的論文中，除去前文出現(xiàn)過的文獻[13，29，33]，文獻[40]研究了溫度對高爐用碳質(zhì)耐火材料性能和顯微結(jié)構(gòu)的影響；文獻[41]研究了添加多壁碳納米管的鋁碳耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)與力學性能；文獻[42]研究了鱗片石墨上碳化硅納米線的合成與表征；文獻[43]研究了納米炭黑對低碳鎂碳復合材料性能的影響；文獻[44]研究了添加劑對鎂碳耐火材料耐蝕性和侵蝕微觀結(jié)構(gòu)的影響；文獻[45]研究了含膨脹石墨鎂碳耐火材料的組織與力學性能。在這九篇文獻中，文獻[29，41-43，45]是與碳源有關(guān)的，文獻[13，33，44]是與添加劑有關(guān)的，文獻[40]是與熱處理溫度有關(guān)的。由此可見，在本細分領域中，以往的高新穎性論文的主題主要集中在碳源、添加劑和熱處理溫度上，與高突發(fā)引用論文的主題分布進行對比，不難發(fā)現(xiàn)，這兩類代表性論文的主題分布領域近似，但側(cè)重點各有不同。因此，研究者使用知識圖譜方法輔助確定創(chuàng)新性研究的方向和重點時，可以根據(jù)自己的具體需要綜合參考這兩類論文的主題，或者從跨領域的角度參照高中介中心性論文的主題。

4 展 望

耐火材料是高溫工業(yè)的基石，隨著時代的發(fā)展，相關(guān)研究已經(jīng)有了迅猛增長，且還會繼續(xù)不斷積累。對于未來耐火材料研究的發(fā)展及其輔助工具，有如下的預期：

(1)就耐火材料研究領域整體而言，未來的趨勢仍將是企業(yè)的發(fā)展需求進一步推動高校等科研機構(gòu)進行研究，并促進研究的體系化和精細化。不僅如此，未來的研究會更加注重耐火材料在高溫下的結(jié)構(gòu)、物相、性能演變過程及相關(guān)機理，以及在實際工況中耐火材料與高溫熔體兩體系間的相互作用等；而高溫工業(yè)的綠色發(fā)展趨勢還使具有節(jié)能作用的輕質(zhì)隔熱耐火材料體系有著廣闊的研究與應用前景。

(2)就具體的細分研究領域而言，以含碳耐火材料為例，未來一段時間內(nèi)，相關(guān)的論文創(chuàng)新應該還是主要落腳于碳源和添加劑(特別是納米尺度的)的選擇、合成、改性與應用等角度，且研究的關(guān)注重點應該主要集中在材料的抗侵蝕性、抗熱震性、機械性能或抗氧化性能等典型性能與微觀結(jié)構(gòu)的變化。

(3)知識圖譜方法不僅可以提煉出研究領域的發(fā)展脈絡、研究熱點與趨勢，而且在跨學科創(chuàng)新上有著巨大的應用潛力，隨著知識的爆炸性增長，該方法有望在耐火材料領域乃至整個自然科學領域獲得更加廣泛的應用；而在更遙遠的將來，隨著機器學習算法等的不斷發(fā)展與應用，還可能使用本方法來預測潛在的研究熱點與方向。