硬硅钙石型转接板材料的试制

王 前 张尚尚 齐晓勇 刘俊成 杜庆洋

(山东理工大学材料科学与工程学院，山东 淄博255000)

硅酸钙材料［1-2］主要分为2 种结晶相材料，一种为托贝莫来石［3］，其最高使用温度为650 ℃，另一种是20 世纪70 年代日本研制成功的以活性料浆法(动态水热合成法)生产的耐高温硅酸钙保温材料，主要结晶相为硬硅钙石［4-5］，其最高使用温度为1 000 ℃。

硬硅钙石材料因具有密度小、导热系数低、抗压和抗折强度高、可重复利用、环保、对人体友好等优良性能，被广泛应用于塑料、橡胶、涂料、染料、建材、环保及石棉的代用品等领域［6］，如张瑞芝［7］、刘力等［8］把硬硅钙石应用于涂料领域。近年来，硬硅钙石在宇航、电子技术、生命科学和医用材料等新兴前沿领域也得到发展，曾令可［9］、杨海龙等［10］用硬硅钙石制备了纳米孔超级绝热材料，使纳米孔超级绝热材料有了新突破。

我国是世界铝生产和消费大国［11］。在铸铝工艺中，熔融铝液由熔炼炉经导管输送，在模具中成型，导管与模具间需装配过渡转接板，以适应装配不同规格的模具，制造不同规格的铝制品。该转接板要求质量轻、强度高、耐高温、保温效果好、可精确机械加工。目前，国内不仅不生产转接板，而且也未见关于转接板材料研究的报道。试验将以动态水热合成工艺制备的硬硅钙石为主要原料，开展硬硅钙石型转接板材料的试制。

1 试验原料与仪器、设备

1.1 试验原料

以石英和氧化钙为原料动态水热合成的硬硅钙石的XRD 图谱见图1，SEM 图片见图2。

从图1 可以看出，该硬硅钙石的纯度较高，未见其他矿物的衍射峰。

图1 硬硅钙石的XRD 图谱Fig.1 XRD pattern of xonotlite

图2 硬硅钙石原料的微观形貌Fig.2 Microstructure morphography of xonotlite

从图2可以看出，该硬硅钙石为纤维状硬硅钙石，结晶性良好、长3 ～5 μm、宽约200 nm。

玻璃纤维为市售品，用剪刀剪至0.6 ～1.2 cm长。

熟石灰为市售碳酸钙在960 ℃下煅烧3 h(制备氧化钙)再加水消化制得。

1.2 试验仪器与设备

大连通达反应釜厂生产的容积为5 L 的CJF－5型高压反应釜，配有电磁搅拌和温度及压力控制系统;虹宇仪器设备有限公司生产的YZF－2A 型压蒸釜，配有温度和压力控制系统;洛阳市西格马仪器制造有限公司生产的SGM 型人工智能箱氏电阻炉;上海方瑞仪器有限公司生产的FA2204B 型电子分析天平;平湖良升液压工具厂生产QYL32 型32 t 液压成型机;上海道京仪器有限公司生产的SHZ－D 型循环水式真空泵;湘潭华丰仪器有限公司生产的DRX－2型导热系数测定仪。

2 试验方法与性能测试

2.1 试验方法

将0.074 ～0 mm 的硬硅钙石与玻璃纤维、熟石灰按质量比36 ∶2 ∶1 混匀，加入自来水，水与原材料总质量之比为1 ∶1，在钢制模具中压制成60 mm×10 mm×10 mm 的样品，然后在一定温度下蒸压一定时间，蒸压产品在100 ℃干燥24 h 后进行性能测试。

2.2 性能测试

用阿基米德法测试制品的密度;用长春科新仪器有限公司生产的WDW 型电子万能试验机测试弯曲强度，测试采用三点弯曲法，压头下降速度为0.5 mm/min，跨距为36 mm，计算5 个样品的平均值;用游标卡尺记录干燥前后样品的长、宽、高，计算其体积收缩率;使用洛阳安特利尔仪器有限公司生产的KRZ－S01 型抗热震性试验机测试样品的抗热震性，将样品在900 ℃下保温10 min，在流动的水中放3 min 后再在空气中冷却5 min，观察样品状况，如果没有裂纹或者破碎，再继续放入高温炉、流动的水和空气中，直至样品产生裂纹或破碎，记下循环试验次数，以此衡量抗热震性能。

3 试验结果与讨论

3.1 条件试验

3.1.1 成型压力试验

成型压力试验的蒸压温度为180 ℃，蒸压时间为5 h，试验结果见表1。

表1 成型压力试验制品的密度与弯曲强度Table 1 Density and bending strength of samples at different forming pressure

由表1 可以看出，随着成型压力的增大，制品的密度和弯曲强度均显著增大。比照国外某进口产品的密度(0.86 g/cm3)与弯曲强度(7.1 MPa)，确定本试验的成型压力为20 MPa。

3.1.2 蒸压温度试验

由于蒸压温度对样品的密度影响很小，因此仅研究蒸压温度对弯曲强度的影响。蒸压温度试验的成型压力为20 MPa，蒸压时间为5 h，试验结果见图3。

图3 蒸压温度对制品弯曲强度的影响Fig.3 Influence of autoclaving temperature on bending strength of samples

由图3 可以看出，随着蒸压温度的升高，制品的弯曲强度呈先快后慢的上升趋势。因此，确定蒸压温度为180 ℃，对应的弯曲强度为7.8 MPa。

3.1.3 蒸压时间试验

蒸压时间试验的成型压力为20 MPa，蒸压温度为180 ℃，试验结果见图4。

图4 蒸压时间对制品弯曲强度的影响Fig.4 Influence of autoclaving time on bending strength of samples

由图4 可以看出，随着蒸压时间的延长，制品的弯曲强度呈先快后慢的上升趋势。综合考虑成本、性能因素，确定蒸压时间为3 h，对应的弯曲强度为7.75 MPa。

3.2 制品的性能

成型压力为20 MPa、蒸压温度为180 ℃、蒸压时间为3 h 的制品的耐受温度、收缩率、抗热震性能和导热系数与进口产品对比见表2。

表2 制品与进口产品的性能对比Table 2 Properties comparison of imported products and the sample

由表2 可以看出，制品的耐受温度、抗热震性能和导热系数与进口产品非常接近，而收缩率明显低于进口产品，因此，制品的性能指标优良。

结合前面的制品密度和弯曲强度数据，可以看出，试验制品的总体性能优于进口产品。

4 结 论

(1)转接板是铸铝工艺中熔炼炉导管与模具间的过渡连接件，必须具备质量轻、强度高、耐高温、保温效果好、可精确机械加工等特点。

(2)试验用廉价原料和简单工艺进行了硬硅钙石型转接板材料的试制，硬硅钙石与玻璃纤维、熟石灰按质量比36 ∶2 ∶1 混匀后，加入与原材料总质量之比为1 ∶1 的水，在20 MPa 的压力下压制成型，180℃下蒸压3 h，获得的制品密度为0.85 g/cm3、弯曲强度为7.75 MPa、收缩率为1.58%、抗热震次数达35次、导热系数为0.205 W/(m·K)、耐受温度可达1 000 ℃、保温效果良好。与进口产品比较，试验制品的性能总体更优。

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