硅溶膠熔模鑄造型殼的微觀結構分析

       表面光滑、棱角清晰的優質精密鑄件需要采用優質的熔模鑄造型殼制造。在熔模鑄造制殼過程中，硅溶膠因不需要化學硬化、易配成高粉液比的優質涂料以及所制成的型殼高溫強度好、高溫抗變形能力強，成為熔模鑄造中常用的水基粘結劑。

1.專業術語簡介紹

一些專業術語在化學領域和鑄造領域的理解不盡相同。為方便討論，統一采用膠體化學領域的術語 , 且采用狹義的理解。

1.1膠體 

膠體不是一種特殊物質 , 也不是物質的本性 , 而是物質存在的一種特殊狀態。膠體體系以分散相顆粒有一定的大小為特征，膠粒本身與分散介質之間有明顯的物理分界面 , 所以膠體體系是兩相或多相的不均勻分散體系。

1.2 溶膠

從膠體的定義看，只要不同聚集態分散相的顆粒粒徑在1～100 nm之間，在不同狀態的分散介質中都可形成膠體體系。除了分散相與分散介質都是氣體而不能形成膠體體系外，其余的8種分散體系均可形成膠體體系。分散介質為固體時，稱為固溶膠；分散介質為氣體時，稱為氣溶膠；而分散介質為液體時，稱為液溶膠或溶膠。 

1.3 凝膠

凝膠也稱凍膠。溶膠中膠體粒子在一定條件下可相互連接，形成空間網狀結構，結構空隙中充滿了作為分散介質的液體，無論液體量多少，均將這種失去了流動性的分散體系稱作凝膠。

1.4 毛細管現象 

連續的分散相構成了凝膠的固體骨架，連續的分散介質形成了凝膠的流體部分，構成膠體的顆粒尺寸使凝膠具有毛細管的微觀結構。毛細管現象是指液體在細管狀物體內側，由于液體和管壁之間的附著力與液體本身內聚力的差異、在垂直細管內上升或下降的現象。 

1.5 膠凝

 一定濃度的溶膠在合適的條件下形成凝膠的過程稱為膠凝。硅溶膠在膠凝過程中，干燥前期膠粒以氫鍵形成毛細管網絡結構；干燥后期羥基脫水使氫鍵不斷形成硅氧鍵，膠粒三維增長。

2. 熔模鑄造型殼微觀結構的形成過程

硅溶膠涂料是粘合劑硅溶膠、耐火材料粉體和少量功能助劑的混合物。硅溶膠熔模鑄造制殼的過程實質上是硅溶膠涂料的膠凝、然后凝膠從 濕凝膠變成干凝膠的過程。干燥過程中毛細管力的作用使型殼的內部微觀結構發生了一系列物理和化學變化，該過程可大體分成4個階段。

2.1 溶膠-凝膠轉變階段 

硅溶膠涂料浸潤模具后，由于涂層表面水分的蒸發，表面與內部間將產生濕度差，內部水分在濕度差的推動下，以液態水的形式不斷向表面擴散；同時硅溶膠的膠粒不斷以膠體分散狀態被析出，析出的二氧化硅膠粒以氫鍵結合，構成骨架，形成連通的毛細管結構，Z后完全喪失流動性而轉變成凝膠，此時的凝膠為濕凝膠。

2.2 體積收縮干燥階段 

硅溶膠二氧化硅膠粒形成凝膠的固體骨架，水作為分散介質充滿其中。硅溶膠凝膠中的水共有4種存在形式：第一種是靠氫鍵作用直接吸附在二氧化硅膠粒上的水，是羥基形式；第二種是靠親水基團吸附在膠粒周圍的極化水層 , 是水合羥基形式；第三種是被二氧化硅膠體網絡結構包裹在微孔中的水，是自由水形式，但運動受阻；第四種是凝膠間隙中的水，是自由水形式。硅溶膠涂料凝膠開始時骨架很軟，體系中的毛細管的張力也較??；隨著水分蒸發和凝膠骨架收縮的進行，二氧化硅骨架的機械強度逐漸增大；當骨架中二氧化硅聚集體的剛性強度使骨架不能再繼續收縮時，凝膠的結構就被固定了。

2.3 骨架老化階段 

干燥到達臨界點后，水分蒸發速度開始進一步下降，這時固體骨架的收縮已經停止。該階段孔內液體的傳遞主要仍以流動方式進行，同時伴隨著蒸汽的擴散傳遞。因為液體的蒸發絕大部分仍在凝膠的表面，即型殼表面進行。 

2.4 表干干燥階段 

干燥過程在微觀上是不均勻的，骨架老化階段毛細孔的內壁會不均勻地分布著塊狀的薄層液體。隨著水分蒸發的進行，外表面到孔內蒸發面的距離越來越遠，蒸發推動力也越來越小，從而使液體的流動逐漸消失，液體在外表面的分布慢慢呈現不連續狀態，此時干燥進入表干階段。

3 型殼微觀結構模型的驗證

3.1 硅溶膠型殼與硅酸乙酯型殼的特點比較 

毛細管張力與液體的表面張力成正比。硅溶膠型殼的毛細孔內的液體主要是水；而硅酸乙酯型殼的毛細孔內的液體是醇、水混合液。醇、水混合液的表面張力比水小，相應地，毛細管張力P也較小，凝膠的毛細孔孔徑較大；而較大的毛細孔孔徑使硅酸乙酯型殼比硅溶膠型殼具有更好的透氣性。 

3.2 FSⅠ與FS Ⅲ型快干硅溶膠型殼的比較 

FSⅠ型快干硅溶膠是經過鋁改性的硅溶膠，膠凝時間較未改性的硅溶膠短。在凝膠干燥過程中，由于二氧化硅膠粒的過飽和度較高，可產生大量膠核，因這種改性膠核不易長大，可形成比表面能較大的凝膠，凝膠骨架致密，所以型殼的致密性較好。FS Ⅲ型快干硅溶膠是在FSⅠ型快干硅溶膠中添加有機高聚物而成。添加高聚物使型殼碎裂或龜裂的幾率大幅減少。