王 前 張尚尚 齊曉勇 劉俊成 杜慶洋

(山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博255000)

硅酸鈣材料［1-2］主要分為2 種結(jié)晶相材料，一種為托貝莫來(lái)石［3］，其最高使用溫度為650 ℃，另一種是20 世紀(jì)70 年代日本研制成功的以活性料漿法(動(dòng)態(tài)水熱合成法)生產(chǎn)的耐高溫硅酸鈣保溫材料，主要結(jié)晶相為硬硅鈣石［4-5］，其最高使用溫度為1 000 ℃。

硬硅鈣石材料因具有密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓和抗折強(qiáng)度高、可重復(fù)利用、環(huán)保、對(duì)人體友好等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、染料、建材、環(huán)保及石棉的代用品等領(lǐng)域［6］，如張瑞芝［7］、劉力等［8］把硬硅鈣石應(yīng)用于涂料領(lǐng)域。近年來(lái)，硬硅鈣石在宇航、電子技術(shù)、生命科學(xué)和醫(yī)用材料等新興前沿領(lǐng)域也得到發(fā)展，曾令可［9］、楊海龍等［10］用硬硅鈣石制備了納米孔超級(jí)絕熱材料，使納米孔超級(jí)絕熱材料有了新突破。

我國(guó)是世界鋁生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)［11］。在鑄鋁工藝中，熔融鋁液由熔煉爐經(jīng)導(dǎo)管輸送，在模具中成型，導(dǎo)管與模具間需裝配過(guò)渡轉(zhuǎn)接板，以適應(yīng)裝配不同規(guī)格的模具，制造不同規(guī)格的鋁制品。該轉(zhuǎn)接板要求質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、保溫效果好、可精確機(jī)械加工。目前，國(guó)內(nèi)不僅不生產(chǎn)轉(zhuǎn)接板，而且也未見(jiàn)關(guān)于轉(zhuǎn)接板材料研究的報(bào)道。試驗(yàn)將以動(dòng)態(tài)水熱合成工藝制備的硬硅鈣石為主要原料，開(kāi)展硬硅鈣石型轉(zhuǎn)接板材料的試制。

1 試驗(yàn)原料與儀器、設(shè)備

1.1 試驗(yàn)原料

以石英和氧化鈣為原料動(dòng)態(tài)水熱合成的硬硅鈣石的XRD 圖譜見(jiàn)圖1，SEM 圖片見(jiàn)圖2。

從圖1 可以看出，該硬硅鈣石的純度較高，未見(jiàn)其他礦物的衍射峰。

圖1 硬硅鈣石的XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of xonotlite

圖2 硬硅鈣石原料的微觀形貌Fig.2 Microstructure morphography of xonotlite

從圖2可以看出，該硬硅鈣石為纖維狀硬硅鈣石，結(jié)晶性良好、長(zhǎng)3 ～5 μm、寬約200 nm。

玻璃纖維為市售品，用剪刀剪至0.6 ～1.2 cm長(zhǎng)。

熟石灰為市售碳酸鈣在960 ℃下煅燒3 h(制備氧化鈣)再加水消化制得。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

大連通達(dá)反應(yīng)釜廠生產(chǎn)的容積為5 L 的CJF－5型高壓反應(yīng)釜，配有電磁攪拌和溫度及壓力控制系統(tǒng);虹宇儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YZF－2A 型壓蒸釜，配有溫度和壓力控制系統(tǒng);洛陽(yáng)市西格馬儀器制造有限公司生產(chǎn)的SGM 型人工智能箱氏電阻爐;上海方瑞儀器有限公司生產(chǎn)的FA2204B 型電子分析天平;平湖良升液壓工具廠生產(chǎn)QYL32 型32 t 液壓成型機(jī);上海道京儀器有限公司生產(chǎn)的SHZ－D 型循環(huán)水式真空泵;湘潭華豐儀器有限公司生產(chǎn)的DRX－2型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀。

2 試驗(yàn)方法與性能測(cè)試

2.1 試驗(yàn)方法

將0.074 ～0 mm 的硬硅鈣石與玻璃纖維、熟石灰按質(zhì)量比36 ∶2 ∶1 混勻，加入自來(lái)水，水與原材料總質(zhì)量之比為1 ∶1，在鋼制模具中壓制成60 mm×10 mm×10 mm 的樣品，然后在一定溫度下蒸壓一定時(shí)間，蒸壓產(chǎn)品在100 ℃干燥24 h 后進(jìn)行性能測(cè)試。

2.2 性能測(cè)試

用阿基米德法測(cè)試制品的密度;用長(zhǎng)春科新儀器有限公司生產(chǎn)的WDW 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試彎曲強(qiáng)度，測(cè)試采用三點(diǎn)彎曲法，壓頭下降速度為0.5 mm/min，跨距為36 mm，計(jì)算5 個(gè)樣品的平均值;用游標(biāo)卡尺記錄干燥前后樣品的長(zhǎng)、寬、高，計(jì)算其體積收縮率;使用洛陽(yáng)安特利爾儀器有限公司生產(chǎn)的KRZ－S01 型抗熱震性試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的抗熱震性，將樣品在900 ℃下保溫10 min，在流動(dòng)的水中放3 min 后再在空氣中冷卻5 min，觀察樣品狀況，如果沒(méi)有裂紋或者破碎，再繼續(xù)放入高溫爐、流動(dòng)的水和空氣中，直至樣品產(chǎn)生裂紋或破碎，記下循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)，以此衡量抗熱震性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 條件試驗(yàn)

3.1.1 成型壓力試驗(yàn)

成型壓力試驗(yàn)的蒸壓溫度為180 ℃，蒸壓時(shí)間為5 h，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 成型壓力試驗(yàn)制品的密度與彎曲強(qiáng)度Table 1 Density and bending strength of samples at different forming pressure

由表1 可以看出，隨著成型壓力的增大，制品的密度和彎曲強(qiáng)度均顯著增大。比照國(guó)外某進(jìn)口產(chǎn)品的密度(0.86 g/cm3)與彎曲強(qiáng)度(7.1 MPa)，確定本試驗(yàn)的成型壓力為20 MPa。

3.1.2 蒸壓溫度試驗(yàn)

由于蒸壓溫度對(duì)樣品的密度影響很小，因此僅研究蒸壓溫度對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響。蒸壓溫度試驗(yàn)的成型壓力為20 MPa，蒸壓時(shí)間為5 h，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 蒸壓溫度對(duì)制品彎曲強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of autoclaving temperature on bending strength of samples

由圖3 可以看出，隨著蒸壓溫度的升高，制品的彎曲強(qiáng)度呈先快后慢的上升趨勢(shì)。因此，確定蒸壓溫度為180 ℃，對(duì)應(yīng)的彎曲強(qiáng)度為7.8 MPa。

3.1.3 蒸壓時(shí)間試驗(yàn)

蒸壓時(shí)間試驗(yàn)的成型壓力為20 MPa，蒸壓溫度為180 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 蒸壓時(shí)間對(duì)制品彎曲強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of autoclaving time on bending strength of samples

由圖4 可以看出，隨著蒸壓時(shí)間的延長(zhǎng)，制品的彎曲強(qiáng)度呈先快后慢的上升趨勢(shì)。綜合考慮成本、性能因素，確定蒸壓時(shí)間為3 h，對(duì)應(yīng)的彎曲強(qiáng)度為7.75 MPa。

3.2 制品的性能

成型壓力為20 MPa、蒸壓溫度為180 ℃、蒸壓時(shí)間為3 h 的制品的耐受溫度、收縮率、抗熱震性能和導(dǎo)熱系數(shù)與進(jìn)口產(chǎn)品對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 制品與進(jìn)口產(chǎn)品的性能對(duì)比Table 2 Properties comparison of imported products and the sample

由表2 可以看出，制品的耐受溫度、抗熱震性能和導(dǎo)熱系數(shù)與進(jìn)口產(chǎn)品非常接近，而收縮率明顯低于進(jìn)口產(chǎn)品，因此，制品的性能指標(biāo)優(yōu)良。

結(jié)合前面的制品密度和彎曲強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以看出，試驗(yàn)制品的總體性能優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品。

4 結(jié) 論

(1)轉(zhuǎn)接板是鑄鋁工藝中熔煉爐導(dǎo)管與模具間的過(guò)渡連接件，必須具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、保溫效果好、可精確機(jī)械加工等特點(diǎn)。

(2)試驗(yàn)用廉價(jià)原料和簡(jiǎn)單工藝進(jìn)行了硬硅鈣石型轉(zhuǎn)接板材料的試制，硬硅鈣石與玻璃纖維、熟石灰按質(zhì)量比36 ∶2 ∶1 混勻后，加入與原材料總質(zhì)量之比為1 ∶1 的水，在20 MPa 的壓力下壓制成型，180℃下蒸壓3 h，獲得的制品密度為0.85 g/cm3、彎曲強(qiáng)度為7.75 MPa、收縮率為1.58%、抗熱震次數(shù)達(dá)35次、導(dǎo)熱系數(shù)為0.205 W/(m·K)、耐受溫度可達(dá)1 000 ℃、保溫效果良好。與進(jìn)口產(chǎn)品比較，試驗(yàn)制品的性能總體更優(yōu)。

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