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開孔泡沫鋁制備及其性能研究（十一）

試驗過程及方法

用石膏型熔模制備開孔泡沫鋁的工藝原理

首先選取一定孔徑的三維連通的聚氨酯網(wǎng)狀海綿作為母體材料，修剪并置于金屬模具中。然后將配制完畢并進行充分攪拌后的石膏混合漿料注入已經(jīng)準備好的聚氨酯網(wǎng)狀海綿中，形成石膏漿料與海綿的混合體。將靜置一段時間后的混合體進行干燥和焙燒處理，使得石膏型進一步干燥硬化以及海綿氣化分解，從而制得與原聚氨酯網(wǎng)狀海綿結(jié)構(gòu)基本一致的石膏型預(yù)制塊。將預(yù)制塊放入金屬模具中，澆入鋁液，并施加一定的壓力，從而使鋁液滲入石膏型預(yù)制塊的孔隙中，得到石膏型與鋁合金的混合體。待冷卻后，從金屬模中取出混合體并進行切割清理，通過水浸泡及高壓水沖洗的方式去除其中的石膏，即得最終的成品高孔隙率的開孔泡沫鋁。

石膏型預(yù)制塊的制備工藝

（1）海綿的選取與預(yù)處理

作為母體材料的聚氨酯網(wǎng)狀海綿的結(jié)構(gòu)特征對于最終成型的開孔泡沫鋁的結(jié)構(gòu)和性能有著十分重要的影響。因此，在選取聚氨酯網(wǎng)狀海綿時，應(yīng)該選取發(fā)泡孔隙均勻且三維連通性好的。本實驗所選用的聚氨酯海綿均為洛陽藍天海上2綿廠生產(chǎn)，其孔隙均勻，三維連通性好，符合實驗要求。選取孔徑為3.0mm的聚氨酯網(wǎng)狀海綿，進行修剪，使其能夠裝入用于滲流的金屬模具中，并且為了脫模的方便，需要修剪出一定的拔模斜度。將修剪完畢的海綿浸入10%~20%濃度的NaOH溶液中浸泡數(shù)小時，以去除海綿中可能存在的網(wǎng)格間膜以及附著物，之后用清水沖洗海綿，晾干后備用。

（2）石膏型漿料的配置

本實驗所選用石膏型漿料的主要成分為石膏、MgSO4、鋁礬土以及水。石膏為精密鑄造用石膏粉，其成分為α型半水石膏。所謂α型半水石膏是指二水石膏在0.13MPa的氣壓下，128℃的潮濕熱空氣中加熱脫水所得。α型半水石膏屬于斜方晶系，又被稱為高強度石膏，因其組織較致密，比重較大，加水凝結(jié)后強度比較高。這種石膏具有收縮率小，所需混水量較少，流動性好等特點，而成為一種理想的造型填充材料。此種石膏經(jīng)混水后，發(fā)生水化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為二水石膏，形成可塑性漿料，其反應(yīng)式為：

α-CaSO4·1/2H2O+3/2H2O→CaSO4·2H2O+Q         (2-1)

反應(yīng)過程中，除α型半水石膏轉(zhuǎn)化為二水石膏外，還會放出熱量，從而使石膏漿料的溫度升高，體積膨脹。二水石膏晶體隨著反應(yīng)的進行不斷析出、長大，并相互鏈接成網(wǎng)絡(luò)，漿料則隨之逐漸凝固，硬化，以致產(chǎn)生強度。石膏難溶于水，在水中的溶解度以CaSO4計算，18℃時為0.2%,40℃時為  0.21%,100℃時為0.17%。所以需要通過加入水溶性添加劑來提高石膏的水溶潰散性，以利于后續(xù)的清理工作。本實驗選用MgSO?作為水溶性添加劑，因為與其他鹽類相比，加入 MgSO?能夠更好地縮短石膏型混合漿料的溶解時間。而且MgSO?本身良好的水溶性，有助于在清理的過程中石膏的潰散。石膏型漿料的另一重要成分為鋁礬土。鋁礬土又稱礬土或鋁土礦，主要成分是氧化鋁，是一種白色或灰白色的土狀礦物。其密度為3.9~4g/cm3,硬度為1~3,不透明，質(zhì)脆，極難熔化，不溶于水，能溶于硫酸、氫 氧化鈉溶液。主要用于煉鋁，制耐火材料。本實驗所用鋁礬土為鋁礬土熟料，加入鋁礬土的目的在于抵抗石膏型的高溫收縮和裂紋傾向。其原因主要是石膏在加熱過程中，會在150℃~200℃發(fā)生脫水收縮，在400℃左右發(fā)生較大的相 變收縮，而使石膏型易產(chǎn)生裂紋。鋁礬土的加入能夠起到強化和穩(wěn)定石膏型的作用。

硫酸鎂用于改善石膏型混合漿料的水溶性，但其含量不能過多，否則在干燥石膏型時MgSO?7H?O和CaSO?會自溶于保留的結(jié)晶水中，使石膏型的結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，故硫酸鎂的用量一般不超過25%。鋁礬土用于抵抗石膏型高溫收縮和裂紋傾向，同時還可以提高強度，但是用量過多會使清理難度加大，因此加入量應(yīng)控制在5%~10%的范圍內(nèi)。根據(jù) MgSO?含量對石膏型抗壓強度的影響的研究，確定最佳的石膏型成分配比范圍(質(zhì)量分數(shù))為：石膏65%~75%，硫酸鎂15%~25%，鋁礬土5%~10%。

將石膏粉、硫酸鎂、鋁礬土和水按一定比例混合后，攪拌3~5分鐘。待攪拌均勻后，將其倒入已置入海綿的金屬模具中，并施加機械振動，振動時間約2~4分鐘，以消除氣泡使石膏漿料更好地填充到海綿孔隙中去。在填充的過程中，需施加外力抵住海綿，以免海綿因振動和石膏漿料的填充而上浮。石膏終凝時間約為10分鐘左右，此時石膏漿料已完全固化，脫模取出石膏-海綿混合體。

（3）預(yù)制塊的干燥與焙燒

將制備好的石膏-海綿混合體進行自然干燥，干燥時間為20~24小時，干燥溫度為室溫。然后將經(jīng)自然干燥后的混合體放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，進行低溫干燥，干燥溫度一般為70℃~100℃之間，干燥時間為5~7小時，以達到去除混合體中殘留水分的目的。待低溫干燥完畢，將混合體轉(zhuǎn)入箱式電阻爐內(nèi)進行焙燒。由于石膏在焙燒過程中會發(fā)生一系列相變，且石膏導(dǎo)熱性較差會造成心表溫度差，容易產(chǎn)生裂紋，故采用逐級升溫、分段保溫的焙燒工藝。

焙燒的過程是為了去除試樣中的水分、海綿以及雜質(zhì)，并且使石膏型強度進一步提高。焙燒完畢后，將預(yù)制塊保留在爐膛內(nèi)隨爐冷卻，待完全冷卻后取出試樣，即為所要制備的石膏型預(yù)制塊，試樣上的孔洞是石膏型內(nèi)海綿基體高溫揮發(fā)后留下的。