如果有可能研发一种可以与碳黏接的模具和核芯材料，就可以消除在浇铸和固化过程中的放气问题。但是传统的结晶碳不能够黏接砂，这是由于其基面很容易相互滑动。然而，玻璃态或者无定型碳能够建立起一个坚定的、将砂粒嵌入其中的母体。但是，如何准备这样一种材料?基于我们较早前描述的聚合物RF-AeroSands化合物的知识，Voss and Ratke研发了一种所谓的Carbon- AeroSand。聚合物RF气凝胶被热裂解然后能够很牢固地黏接传统的铸造砂(见图1)。潜在的应用就是作为一种核芯材料，其开放的问题是核芯的移除问题，因为在高于800℃的温度，碳通常被氧化。这个温度对由轻金属制造的铸件来说使铸件热裂变还是太高。然而，由Voss完成的、令人惊奇的观测结果表明，在450℃以上，Carbon-AeroSand化合物就已经开始氧化。因此，Carbon- AeroSand化合物具有作为一种新的核芯和模具材料的潜质。
Carbon-AeroSands是通过将RF气凝胶溶剂以一种精确的、与传统铸造砂如氧化铝，多铝红柱石或者碳化硅按比例制作而成。这种混合物被填充到一个容器中，在振动条件下被压缩。凝胶化过程发生在一个密封的气密容器中，在40~50℃温度下封闭一天。在完成凝胶化之后，容器的盖子被移除，在40~50℃下在大气压条件下进行最后的干燥。现在，已经干燥完成的AeroSand模具或者核芯能够从容器移除。最后一步即热裂解:在氩气环境下，在一个真空炉中，1050℃温度下，加热2h。
图1 完全被碳气凝胶所覆盖的Alodur砂粒的SEM图片。砂粒间的黏接桥清晰可见。与 RF气凝胶类似，他们由放大倍数更大的右图可见的纳米结构的碳气凝胶粒子组成。左图的标尺为 20μm，而右图为200nm
Voss完成了对Carbon-AeroSand与铸造应用有关的所有特性的表征。所完成的表征特性与不同颗粒尺寸、形状以及黏接剂量的影响有关。对于砂核芯来说，良好的力学特性是很重要的，这是由于铸造压力的原因。Voss采用压缩和三点弯曲测试来对Carbon-AeroSand的压缩和弯曲强度进行了研究。压缩和弯曲强度典型地在1.5~2.50MPa。弹性模量在约300~550MPa。图2 所示为 Alodur砂根据其颗粒尺寸和黏合剂量得到的结果。
图2 不同粒子尺寸以及黏合剂量相应于初始RF溶液(质量分数)的Alodur®碳Aero- Sand 复合材料的弯曲强度
Carbon-AeroSands的强度显示了下面的关系:强度随着黏合剂量的减少以及颗粒尺寸的增加而降低。非圆形的颗粒的砂的强度要比具有分裂状的砂的强度要低。
针对几种砂的类型、颗粒尺寸以及黏合剂量，Voss采用一种静态的热流布局测量了其热导率。Carbon-AeroSands的热导率与砂的类型无关，碳气凝胶的含量典型地在0.8±0.2W/(mK)左右。在这些差额内，Carbon-AeroSands 的热导率在黏合剂量减少的情况下变得更高。颗粒尺寸对热导率没有影响。研究表明Carbon-AeroSands具有较好的作为一种模具和核芯材料的潜质，可以通过对砂的类型的选择对其产生影响。热导率仍然在传统的核芯材料的范围。
参考文献《气凝胶手册》
原文始发于微信公众号（双铸先进材料）：碳气凝胶作为黏接材料