开孔泡沫铝制备及其性能研究（十一）

试验过程及方法

用石膏型熔模制备开孔泡沫铝的工艺原理

首先选取一定孔径的三维连通的聚氨酯网状海绵作为母体材料，修剪并置于金属模具中。然后将配制完毕并进行充分搅拌后的石膏混合浆料注入已经准备好的聚氨酯网状海绵中，形成石膏浆料与海绵的混合体。将静置一段时间后的混合体进行干燥和焙烧处理，使得石膏型进一步干燥硬化以及海绵气化分解，从而制得与原聚氨酯网状海绵结构基本一致的石膏型预制块。将预制块放入金属模具中，浇入铝液，并施加一定的压力，从而使铝液渗入石膏型预制块的孔隙中，得到石膏型与铝合金的混合体。待冷却后，从金属模中取出混合体并进行切割清理，通过水浸泡及高压水冲洗的方式去除其中的石膏，即得最终的成品高孔隙率的开孔泡沫铝。

石膏型预制块的制备工艺

（1）海绵的选取与预处理

作为母体材料的聚氨酯网状海绵的结构特征对于最终成型的开孔泡沫铝的结构和性能有着十分重要的影响。因此，在选取聚氨酯网状海绵时，应该选取发泡孔隙均匀且三维连通性好的。本实验所选用的聚氨酯海绵均为洛阳蓝天海上2绵厂生产，其孔隙均匀，三维连通性好，符合实验要求。选取孔径为3.0mm的聚氨酯网状海绵，进行修剪，使其能够装入用于渗流的金属模具中，并且为了脱模的方便，需要修剪出一定的拔模斜度。将修剪完毕的海绵浸入10%~20%浓度的NaOH溶液中浸泡数小时，以去除海绵中可能存在的网格间膜以及附着物，之后用清水冲洗海绵，晾干后备用。

（2）石膏型浆料的配置

本实验所选用石膏型浆料的主要成分为石膏、MgSO4、铝矾土以及水。石膏为精密铸造用石膏粉，其成分为α型半水石膏。所谓α型半水石膏是指二水石膏在0.13MPa的气压下，128℃的潮湿热空气中加热脱水所得。α型半水石膏属于斜方晶系，又被称为高强度石膏，因其组织较致密，比重较大，加水凝结后强度比较高。这种石膏具有收缩率小，所需混水量较少，流动性好等特点，而成为一种理想的造型填充材料。此种石膏经混水后，发生水化反应，转化为二水石膏，形成可塑性浆料，其反应式为：

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

反应过程中，除α型半水石膏转化为二水石膏外，还会放出热量，从而使石膏浆料的温度升高，体积膨胀。二水石膏晶体随着反应的进行不断析出、长大，并相互链接成网络，浆料则随之逐渐凝固，硬化，以致产生强度。石膏难溶于水，在水中的溶解度以CaSO4计算，18℃时为0.2%,40℃时为  0.21%,100℃时为0.17%。所以需要通过加入水溶性添加剂来提高石膏的水溶溃散性，以利于后续的清理工作。本实验选用MgSO₄作为水溶性添加剂，因为与其他盐类相比，加入 MgSO₄能够更好地缩短石膏型混合浆料的溶解时间。而且MgSO₄本身良好的水溶性，有助于在清理的过程中石膏的溃散。石膏型浆料的另一重要成分为铝矾土。铝矾土又称矾土或铝土矿，主要成分是氧化铝，是一种白色或灰白色的土状矿物。其密度为3.9~4g/cm³,硬度为1~3,不透明，质脆，极难熔化，不溶于水，能溶于硫酸、氢 氧化钠溶液。主要用于炼铝，制耐火材料。本实验所用铝矾土为铝矾土熟料，加入铝矾土的目的在于抵抗石膏型的高温收缩和裂纹倾向。其原因主要是石膏在加热过程中，会在150℃~200℃发生脱水收缩，在400℃左右发生较大的相 变收缩，而使石膏型易产生裂纹。铝矾土的加入能够起到强化和稳定石膏型的作用。

硫酸镁用于改善石膏型混合浆料的水溶性，但其含量不能过多，否则在干燥石膏型时MgSO₄7H₂O和CaSO₄会自溶于保留的结晶水中，使石膏型的结构变得不稳定，故硫酸镁的用量一般不超过25%。铝矾土用于抵抗石膏型高温收缩和裂纹倾向，同时还可以提高强度，但是用量过多会使清理难度加大，因此加入量应控制在5%~10%的范围内。根据 MgSO₄含量对石膏型抗压强度的影响的研究，确定最佳的石膏型成分配比范围(质量分数)为：石膏65%~75%，硫酸镁15%~25%，铝矾土5%~10%。

将石膏粉、硫酸镁、铝矾土和水按一定比例混合后，搅拌3~5分钟。待搅拌均匀后，将其倒入已置入海绵的金属模具中，并施加机械振动，振动时间约2~4分钟，以消除气泡使石膏浆料更好地填充到海绵孔隙中去。在填充的过程中，需施加外力抵住海绵，以免海绵因振动和石膏浆料的填充而上浮。石膏终凝时间约为10分钟左右，此时石膏浆料已完全固化，脱模取出石膏-海绵混合体。

（3）预制块的干燥与焙烧

将制备好的石膏-海绵混合体进行自然干燥，干燥时间为20~24小时，干燥温度为室温。然后将经自然干燥后的混合体放入电热恒温鼓风干燥箱内，进行低温干燥，干燥温度一般为70℃~100℃之间，干燥时间为5~7小时，以达到去除混合体中残留水分的目的。待低温干燥完毕，将混合体转入箱式电阻炉内进行焙烧。由于石膏在焙烧过程中会发生一系列相变，且石膏导热性较差会造成心表温度差，容易产生裂纹，故采用逐级升温、分段保温的焙烧工艺。

焙烧的过程是为了去除试样中的水分、海绵以及杂质，并且使石膏型强度进一步提高。焙烧完毕后，将预制块保留在炉膛内随炉冷却，待完全冷却后取出试样，即为所要制备的石膏型预制块，试样上的孔洞是石膏型内海绵基体高温挥发后留下的。