在現(xiàn)代制造業(yè)不斷向高精度、高性能方向邁進的2025年，精密鑄造作為近凈成形的先進鑄造技術(shù)，在航空發(fā)動機渦輪葉片等關(guān)鍵零部件制造中占據(jù)核心地位。隨著行業(yè)對鑄件精度、表面品質(zhì)要求的持續(xù)攀升，作為精密鑄造陶瓷型殼關(guān)鍵組成的硅溶膠黏結(jié)劑，其性能的優(yōu)化與改性研究愈發(fā)關(guān)鍵。

  一、聚合物改性：提升精密鑄造硅溶膠黏結(jié)劑綜合性能的重要路徑

  1.1 聚合物增強硅溶膠

  早期采用乳膠增強硅溶膠存在諸多局限，如今水溶性高分子聚合物成為主流。聚丙烯酰胺(PAM)等聚合物與硅溶膠結(jié)合形成有機 - 無機復合體系，PAM 主鏈的酰胺基團與硅溶膠膠粒表面硅羥基形成氫鍵，還與耐火粉料發(fā)生靜電吸附，使?jié){料顆粒間產(chǎn)生橋聯(lián)。在剛玉粉 - 堿性硅溶膠體系中加入 PAM，能有效增大漿料體系內(nèi)部空間位阻，添加量適當時可形成聚合物三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，阻礙顆粒自由運動，增大漿料黏度，改善沉降現(xiàn)象。在酸性硅溶膠體系中，PAM 相比其他添加劑，更能顯著增大體系黏度和剪切應力。

  《2025-2030年全球及中國精密鑄造行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報告》指出，在鋯粉型殼制備中，含聚合物的黏結(jié)劑可使陶瓷漿料涂掛量增加，型殼濕態(tài)強度提高，殘余強度降低。合物在 530℃完全分解，燒蝕分解增大陶瓷型殼內(nèi)部孔隙程度，提高透氣性，降低澆注后陶瓷型殼殘余強度過大對合金內(nèi)部組織的影響風險。向傳統(tǒng) 830 硅溶膠中加入含氨基聚合物，可形成特殊膠粒 - 聚合物結(jié)構(gòu)，提高硅溶膠穩(wěn)定性，使陶瓷漿料涂掛性和流平性更好，鑄件不合格率從 13% 降至 3.5%。不過，聚合物改性也存在問題，過高的漿料黏度可能導致涂掛不均，孔隙率過高會降低型殼機械強度，因此需通過系統(tǒng)試驗確定最佳添加量。

  1.2 聚合物快干硅溶膠

  傳統(tǒng)硅溶膠黏結(jié)劑風干膠凝時間長，增加了精密鑄造生產(chǎn)成本。通過聚合物改性開發(fā)快干硅溶膠是解決之道。20 世紀 80 年代起，多種水溶性聚合物被用于提高干燥速率，美國杜邦公司的 Ludox SK 系列硅溶膠是快干硅溶膠的典型代表，在特定條件下制備型殼，每層干燥時間可縮短至 1 - 2 h，型殼強度與硅酸乙酯型殼相當。國內(nèi)也積極開展相關(guān)研究，宇達公司與清華大學合作研發(fā)的 FS - Ⅱ、FS - Ⅲ 型快干硅溶膠，以及研發(fā)的 ZF - 801 型快干硅溶膠，都能通過聚合物作用，加快硅溶膠膠凝過程，縮短干燥時間，提高陶瓷型殼濕態(tài)強度，改善漿料涂掛性，提升產(chǎn)品合格率，適應大規(guī)模生產(chǎn)需求。

  二、纖維改性：優(yōu)化精密鑄造硅溶膠型殼性能的有效手段

  2.1 有機纖維改性

  有機纖維改性硅溶膠在精密鑄造中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。美國和英國聯(lián)合開發(fā)的 WEXCOAT 黏結(jié)劑，通過加入不溶于水的尼龍絲實現(xiàn)增強效果。向硅溶膠陶瓷漿料中加入尼龍纖維，可改善陶瓷漿料涂掛量及型殼厚度，使型殼 R 角處厚度增大 40%，平面厚度增大 13%，厚度一致性達到 67%，在減少涂層的同時降低生產(chǎn)周期和成本。

  在堿性硅溶膠中加入尼龍纖維，隨著纖維含量增加，漿料流動性變差，運動黏度增大，涂掛性提高。加入香蒲纖維制備的陶瓷型殼，其濕態(tài)強度隨纖維含量增加顯著提高，加入質(zhì)量分數(shù)為 1% 的纖維后，型殼濕態(tài)強度比無纖維型殼提高了 44%。不過，纖維含量過高時，型殼室溫強度會下降，因為纖維間聚集導致燒蝕孔內(nèi)產(chǎn)生裂紋，減小有效載荷面積。

  2.2 復合纖維改性

  有機纖維改性存在焙燒后影響型殼強度的問題，復合纖維改性應運而生。在剛玉粉漿料中加入碳 - 尼龍雜化纖維，未焙燒時可提高型殼濕態(tài)抗拉和抗彎強度，真空燒結(jié)后，尼龍纖維燒蝕形成微孔提高透氣性，碳纖維與基體結(jié)合緊密增大燒結(jié)后型殼強度，最高達 5.46 MPa。引入硅酸鋁與聚丙烯復合纖維的型殼，當纖維添加量為 1% 時，濕態(tài)強度達 3.08 MPa，較未改性時提高了 35.7%，室溫強度在纖維添加量為 0.6% 時達到峰值，最高可達 4.96 MPa。

  復合纖維中各組分配比對體系性能影響重大。尼龍 - 氧化鋁復合纖維改性硅溶膠陶瓷型殼研究表明，隨著尼龍纖維占比下降，濕態(tài)強度降低，燒結(jié)強度先增后減，尼龍與氧化鋁質(zhì)量比為 2∶3 的試樣最高燒結(jié)強度達 10.54 MPa。復合纖維在型殼焙燒前形成互鎖網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，提高漿料黏度和型殼濕態(tài)強度，焙燒過程中有機纖維燒蝕形成孔洞提高透氣性，無機纖維增強型殼室溫和高溫強度，為精密鑄造硅溶膠提供了更穩(wěn)定可靠的改性方案。

  三、膠粒表面改性：增強精密鑄造硅溶膠穩(wěn)定性的關(guān)鍵舉措

  根據(jù)膠體化學相關(guān)理論，硅溶膠的穩(wěn)定性受 SiO?納米顆粒之間靜電相互作用影響。在堿性條件下，硅溶膠表面硅羥基電離使膠粒帶負電荷，靜電排斥作用維持其穩(wěn)定，但穩(wěn)定性與溶液 pH 值密切相關(guān)。當 pH 值在 8.5 - 10.5 時，硅溶膠可長期保持穩(wěn)定;pH 值為 5 - 7 時，易發(fā)生膠凝;pH 值降為 2 - 4 時，處于亞穩(wěn)態(tài)。

  為提高硅溶膠的 pH 穩(wěn)定性，可在制備過程中加入水溶性鋁鹽、海藻酸鹽等，將硅溶膠顆粒中部分 Si 替換為 Al 或其他元素，使膠粒表面新增負電荷，增大膠粒間互斥程度，降低聚集程度，減少因耐火粉料或添加劑加入導致 pH 值變化而使?jié){料失效的風險，降低生產(chǎn)成本。

  四、潛在改性方式：拓展精密鑄造硅溶膠應用前景的方向探索

  由于硅溶膠表面基團單一，與有機聚合物結(jié)合性差，限制了其在精密鑄造中的多功能化。對硅溶膠膠粒表面接枝硅烷偶聯(lián)劑或其他有機基團是解決途徑之一。用 γ 氨基丙基三乙氧基硅烷(KH - 550)偶聯(lián)劑對酸性硅溶膠膠粒表面進行化學處理，當 KH550 投料量為 21.6% 時，接枝率達到最大(21.18%)，可改善有機 - 無機相容性，擴大硅溶膠表面基團功能性，使其能與更多種類聚合物結(jié)合。

  此外，控制長鏈聚合物封端基團親疏水性制備的締合型聚氨酯類增稠劑，有望應用于精密鑄造硅溶膠。該增稠劑在水基體系中形成疏水締合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)增大體系黏度，應用于硅溶膠中可能與膠粒相互作用，提高陶瓷漿料流變性能和涂掛性，改善水基陶瓷漿料與蠟模表面的潤濕性。

  綜上所述，在2025年精密鑄造行業(yè)對鑄件質(zhì)量要求日益嚴苛的背景下，硅溶膠黏結(jié)劑的改性研究成果豐碩。聚合物改性可有效提升漿料性能和型殼強度，改變干燥時間;纖維改性能優(yōu)化型殼厚度和強度，平衡透氣性;膠粒表面改性增強了硅溶膠的穩(wěn)定性。這些改性技術(shù)對精密鑄造的發(fā)展至關(guān)重要。未來，深入探究硅溶膠微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的聯(lián)系，精確控制材料合成制備，綜合提升硅溶膠多種性能，加強學科交叉融合，將是硅溶膠改性技術(shù)發(fā)展的重要方向，有望為精密鑄造行業(yè)帶來新的突破。

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