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準備好的聚氨酯網狀海綿中，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狀海綿結構基本一致的石膏型預制塊。將預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。

石膏型預制塊的制備工藝

（1）海綿的選取與預處理

作為母體材料的聚氨酯網狀海綿的結構特征對于最終成型的開孔泡沫鋁的結構和性能有著十分重要的影響。因此，在選取聚氨酯網狀海綿時，應該選取發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，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溶液中浸泡數小時，以去除海綿中可能存在的網格間膜以及附著物，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。此種石膏經混水后，發生水化反應，轉化為二水石膏，形成可塑性漿料，其反應式為：

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

反應過程中，除α型半水石膏轉化為二水石膏外，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的進行不斷析出、長大，并相互鏈接成網絡，漿料則隨之逐漸凝固，硬化，以致產生強度。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℃發生脫水收縮，在400℃左右發生較大的相 變收縮，而使石膏型易產生裂紋。鋁礬土的加入能夠起到強化和穩定石膏型的作用。

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?會自溶于保留的結晶水中，使石膏型的結構變得不穩定，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，因此加入量應控制在5%~10%的范圍內。根據 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(質量分數)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。然后將經自然干燥后的混合體放入電熱恒溫鼓風干燥箱內，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，將混合體轉入箱式電阻爐內進行焙燒。由于石膏在焙燒過程中會發生一系列相變，且石膏導熱性較差會造成心表溫度差，容易產生裂紋，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，并且使石膏型強度進一步提高。焙燒完畢后，將預制塊保留在爐膛內隨爐冷卻，待完全冷卻后取出試樣，即為所要制備的石膏型預制塊，試樣上的孔洞是石膏型內海綿基體高溫揮發后留下的。