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随着低碳钢和超低碳钢冶炼新技术的引入以及对节能降耗的新要求，传统的MgO-C耐火材料必然向低碳、超低碳化方向发展。但碳含量降低后，MgO-C耐火材料的热震稳定性会急剧下降。MgO-C耐火材料的结合剂一般为酚醛树脂，其经高温炭化后所形成的次生碳为各向同性的玻璃状结构，该结构呈脆性，经高温处理也难以石墨化，所以，对材料的高温强度和热震稳定性不利。针对上述问题，本论文从次生碳结构优化研究的角度出发，借助于X射线衍射分析、扫描电子显微分析、透射电子显微分析和能谱分析等分析技术，系统地研究了热处理温度、催化剂的种类、催化剂的掺杂量、保温时间、炭化气氛和升温速率等工艺因素对过渡金属催化剂掺杂酚醛树脂热解炭结构的影响，分析了各工艺因素对热解炭中原位碳纳米管生长的影响机理；阐明了影响低碳MgO-C耐火材料基质中原位碳纳米管生长动力学的关键因素，建立了高温下次生碳中碳纳米管的生长模型；探索了基质相与原位碳纳米管的反应程度和影响反应的因素，并且阐明了基质相与原位碳纳米管的界面反应机理；研究了次生碳结构对材料热震稳定性的影响机理，揭示了其与低碳MgO-C耐火材料热震稳定性的相关性。主要研究结果如下：(1) Fe，Co，Ni催化剂在酚醛树脂中的催化活性依次为Ni>Co>Fe，其中Ni元素掺杂酚醛树脂经1000℃炭化后的热解炭中可形成大量具有较高长径比的碳纳米管，碳纳米管的直径为50-100nm，长度可达几十个微米；对Fe催化剂进行机械活化或在Fe催化剂中引入第二元素Ni均可提高Fe催化剂的催化活性，其中采用机械活化法制备的Fe纳米片掺杂酚醛树脂经1000℃炭化后的热解炭中可形成大量具有较高石墨化度的碳纳米管；热解炭中石墨化碳的形成显著地提高了热解炭的抗氧化性，热解炭的氧化峰值温度提高了约80℃。(2)掺杂酚醛树脂中的催化剂以金属单质的形式参与气相沉积反应，碳氢气体裂解产生的碳原子在金属催化剂中通过溶解-扩散-沉淀机制生成碳纳米管，碳纳米管的生长符合顶部生长模型；在Fe催化剂作用下，热处理温度对碳纳米管形貌有显著地影响，随着热处理温度的升高，碳纳米管的直径显著增加，碳纳米管的长径比和产量逐渐下降。不同热处理温度下碳纳米管的生长机理分析表明：当热处理温度低于1200℃时，碳纳米管遵循气-固(V-S)生长机理，热处理温度高于1200℃时，其遵循气-液-固(V-L-S)生长机理。(3)在1000℃的埋炭条件下，金属Al主要以Al(g)的形式与原位碳纳米管的表面发生反应生成碳化铝，且Al(g)与原位碳纳米管的反应具有选择性，其仅与结晶度较差的碳纳米管表面通过V-S反应机理发生反应，反应程度与反应体系中Al(g)的分压密切相关，随着Al(g)分压的增加，Al(g)与原位碳纳米管的界面反应更加剧烈，反应生成碳化铝的量显著增加；经1400℃热处理后，Al(g)与原位碳纳米管反应生成的碳化铝逐渐转化为刚玉，并包覆在碳纳米管的表面。(4)低碳MgO-C耐火材料基质气孔中碳氢气体分压显著地影响原位碳纳米管的形成，在催化剂作用下，材料中碳氢气体分压较高时，碳氢气体沉积为碳纳米管，而碳氢气体分压较低时，碳氢气体沉积为碳微球；材料中引入适量的酚醛树脂粉或金属Al粉可增加基质气孔中碳氢气体分压，有利于原位碳纳米管的形成。(5)在无催化剂作用下，MgO-C耐火材料经1000-1400℃热处理后，在基质中原位生成八面体状的镁铝尖晶石；添加纳米Ni催化剂后，在1200℃下，纳米Ni催化剂能够促进MgO与C之间的反应，使系统中产生一定含量的Mg(g)。Mg(g)与Al(g)，CO(g)以纳米Ni催化剂为成核点，通过溶解-扩散-析出机制生长为MgAl2O4晶须，随着热处理温度升高，MgAl2O4晶须产量增加，MgAl2O4晶须的生长过程符合V-L-S生长机理。(6) Fe纳米片改性酚醛树脂结合的低碳MgO-C耐火材料试样经1000℃埋炭热处理后，在材料内部可原位形成大量结晶较好的碳纳米管，碳纳米管的直径为50-100nm，长度约为几个微米。原位碳纳米管的形成可在材料基质中产生晶须桥接和微裂纹偏转机制，抑制微裂纹的扩展，显著地提高了材料经1000-1400℃热处理后的力学性能和热震稳定性能。(7)原位碳纳米管的平均直径和平均长径比与低碳MgO-C耐火材料热震稳定性能之间具有明确的相关性：随着碳纳米管平均直径的减小或平均长径比的增加，材料的热震稳定性逐渐增加；碳纳米管的不同直径分布区间和不同长径比分布区间与热震稳定性的灰色关联分析表明：直径小于80nm或长径比大于35的碳纳米管与热震稳定性能的关联度最大。