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消除了铸件收缩遇到的阻力。反之收缩阻力不能消除，还增加了型芯的膨胀力，金属构件的内应力增大，当增大到大于该金属构件该温度下某部位的极限强度时，则该部位将产生裂纹。 5） 气孔
为了防止气孔产生，一般选用发气量少的造型材料，尤其是芯砂。发气量的检测有专用仪表，测定在850℃时，每克材料产生气体的毫升数。造型材料的发气量由两部分组成，一部分是粘结材料及辅助材料分解的气体，另一部分则是硅砂分解的气体。
通过对我国各地经烘干的擦洗砂检测可知，硅砂的发气量为4～9m1／g，这部分气体最易使铸件产生气孔：当金属熔液浇注完后，浇注时的压力头已消失，厚壁处的金属熔液尚未凝固，与其接触的型芯砂粒已升到高温，此时硅砂的结晶水才析出并汽化，该汽化的气体最易侵入金属内部而形成气孔。
此外．由于硅砂砂粒表面的薄膜存在，使粘结材料加入量增加，从而使造型材料的发气量增加，这也是铸件产生气孔的原因。 1.1.5 当代消除以上缺陷所采取的措施
上述铸件缺陷分析可知，砂型铸造的很多缺陷都是由于硅砂高温相变膨胀而引起，在 未得出此结论前，铸造工作者已采取了很多行之有效的方法。 1、选用非石英砂系列的原砂
砂型铸造中，对于承受浇注温度高(如铸钢)的型、芯，及承受热量多的砂芯(如发动机的水套芯)，人们成功地使用了石灰石砂及各种特种砂(如锆砂、铬矿砂等)。这些砂的主要特是：有的不存在相变膨胀，有的相变膨胀量很小，用这些材料生产的铸件出现粘砂、变形等缺陷要少的多。但石灰石砂高温受热粉化而限制了它的应用范围，而一些特种砂价格昂贵且资源有限，也限制了它们广泛使用。 2、加入辅助材料 （1）煤粉
煤粉是被列人抗粘砂材料，其抗粘砂的原理主要是减缓石英砂的膨胀：一般湿型粘土砂中均加有大量的煤粉，浇注时硅砂受热产生相变膨胀时，煤粉容易燃烧，煤粉燃烧消失的空间体积，为硅砂的相变膨胀留出了余地，不致于被挤进未凝固的金属界面而形成粘砂。但是煤粉的加入却对环境带来了污染，而且还存在劳动条件恶化、增加旧砂的灰分、降低
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旧砂回用性能等不利因素。 （2）石墨粉和氧化铁等
在某些造型材料中，常常加入一些石墨粉、氧化铁粉等辅助材料，它们的作用与煤粉的作用相近，即减缓硅砂的相变膨胀。当硅砂产生相变膨胀时，流动性很好的片状石墨，以及被熔化的氧化铁粉，可以被膨胀的硅砂挤到砂粒的间隙之中。
生产实践证明，加入上述辅助材料起到了减缓硅砂相变膨胀带来的危害，但这些材料又带来很多不利因素：污染环境、降低强度、增加粘结剂的消耗等，氧化铁粉还产生浇注后的芯砂不易溃散的缺点。 （3）水玻璃
在铸钢件生产中，目前水玻璃砂广泛应用，其优点是防粘砂和裂纹，尤其是厚壁铸钢件。由于铸钢件的浇注温度高，固化的水玻璃高温下可熔化，当硅砂高温相变膨胀时，可将水玻璃挤入砂粒间隙之中，不致于将砂粒挤入金属界面而粘砂。由于水玻璃砂高温软化特点，它消除或减少了铸件收缩的阻力，因此可防止裂纹产生。在铸铁件生产中，由于浇注温度低，水玻璃不熔化，水玻璃砂不软化，因此仍产生粘砂和裂纹。虽然水玻璃砂在铸钢件生产上有上述优点，但由于水玻璃砂的回用与再生未达到比较满意与合理的解决，因此近年来有的采用碱性酚醛树脂砂代替水玻璃砂生产铸钢件，但是有的铸钢件又产生裂纹缺陷，原因还是未解决硅砂的相变膨胀问题。 3、石英砂提纯
不管是物理方法还是化学方法，在石英砂提纯的整个工艺过程中，都有不可替代的作用。在实际应用中，往往是先用物理方法作预处理，如水洗和分级脱泥、擦洗、磁选、浮选和超声波法，除去大部分的杂质，再进行化学方法即酸浸法和络合法，进一步除去石英砂中的微量杂质。 4、高温焙烧
高温焙烧是指将要处理的物料在高温的条件下进行燃烧，得到除杂、改性的效果。高温焙烧的作用有两个：一是将砂粒表面的杂质煅烧，使砂粒表面的杂质脱落，增大砂粒的裸露面积，能够有效增加砂粒和粘结剂间的粘结强度，增大铸造砂的可塑性。有研究表明，高温焙烧的除杂效果是最好的。二是在高温的作用下，石英砂的晶相会由三方晶系朝着六方晶系转变，会产生相变膨胀，体积增大，且在冷却至常温后体积不会发生很大改变，再次受高温的热膨胀性小。因此，经过高温焙烧的石英砂作为造型材料能够消除上述所提及
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的诸多铸造缺陷。
综上所述，高温焙烧不但除杂效果最好，还能消除铸造砂的各种铸造缺陷。因此，本研究决定采用高温焙烧的方法来对二氧化硅进行表面改性。常用的高温焙烧是马弗炉或高温焙烧炉加热等方法。但是由于以上方法提供的温度不高，而且消化天然气等能源严重，而等离子体能够提供较高的温度，且廉价环保，故此次实验采用等离子体技术对石英砂进行高温焙烧。
1.2国内外研究现状
1.2.1 二氧化硅的球形化
在介绍二氧化硅表面改性前，首先先回答下为什么要球形化？第一，球的表面积最小，各向同性好，与树脂搅拌成膜均匀，树脂添加量小，并且流动性最好，球形二氧化硅的填充量可达到最高，质量比可达90.5%，因此，球形化意味着二氧化硅填充率的增加。二氧化硅的填充率越高，塑封料的热膨胀系数就越小，导热系数也越低，就越接近单晶硅的热膨胀系数。第二，球形二氧化硅制成的塑封料应力集中最小，强度最高，当角形二氧化硅的塑封料应力集中为1时，球形二氧化硅的应力仅为0.6，因此，球形二氧化硅塑封料封装集成电路芯片时，成品率高，并且运输、安装、使用过程中不易产生机械损伤。第三，球形二氧化硅摩擦系数小，对模具的磨损小，使模具的使用寿命长。与角形二氧化硅相比，可以提高模具的使用寿命达一倍，塑封料的封装模具价格很高，有的还需要进口，这一点对封装厂降低成本，提高经济效益也十分重要。另外，二氧化硅本身就有增强环氧树脂的作用，而球形二氧化硅可以增强这个功用 。
生产高纯球形石英粉是用熔融石英（即高纯石英玻璃），还是用结晶石英？试验表明，用天然石英(SiO 2)，高温熔融喷射制球，可以制得完全熔融的球形石英粉。用天然结晶石英制成粉，待分散后，用等离子火焰制成的球也是熔融的球，且用火焰烧粉制得的球，表面光滑，体积也有收缩，容积密度更高更好用，日本提供的这种粉，用 XRD 分析，谱线完全是平的，也是全熔融球形石英粉，而国内电熔融的石英，其熔融石英光谱分析不定形含量为95%，谱线仍能看出有尖峰，仍有 5%未熔融，可能原因是电熔融后，熔融石英缓冷时，出现了部分析晶现象。由此可见，生产球形石英粉，只要纯度能达到要求，以天然结晶石英为原料较好，其生产成本较低，工艺路线更简捷，但既要成球，又要熔透转变为非晶型或不定形，其技术难度更高。 1.2.2 国内外研究现状
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本项生产技术国外 20 世纪 80 年代初已经有专利申报。90年代初，我国开始引进使用球形二氧化硅。目前，可以生产这种高纯球形二氧化硅材料的主要国家是日本和美国，德国和俄罗斯也掌握此种生产技术。日本现在主要有六家公司生产球形二氧化硅，是球形二氧化硅的主要出口国。[7-8]
国外球形二氧化硅的制备通常采用二氧化硅高温熔融喷射法、气体火焰法和在液相中控制正硅酸乙酯、四氯化硅的水解法，单分散等法也可制备亚微米左右的球形二氧化硅；用特殊的工艺方法还可制备壁厚和粒径可调的空心球形粉等 。但其工艺复杂，这些方法国内还只停留在实验室阶段，有较大的技术难度，这也是至今国内还不能生产出高质量球形二氧化硅的重要原因之一。
高温熔融喷射法是指燃烧机喷入重油直接在石英砂表面加热，使其表面形成薄膜式的熔浆，然后利用重力原理使炉渣自然流下。表面熔融炉的熔融温度约在1200—1300℃，在操作时可视需要加入矽石及硼酸以促进熔融发生。高温熔融喷射球形化法，据国内猜测，国外有相当一部分球形二氧化硅就是用此法生产的。炼硅铁得到的超细球形二氧化硅尘就是一种球形石英粉，即为类似的原理；粉末冶金、喷涂耐磨合金的球形粉体完全就是采用此种方法生产的，生产技术国内已掌握，达到小规模工业化的程度。用于高纯石英球形化的技术难度是高温材料，粘稠的石英熔融液体的雾化系统以及解决防止污染和进一步提纯的问题，但国内没有报道这方面研究和生产的信息。
气体燃烧火焰法球化技术是目前发展较快的一种球化产业化技术。据报道，日本已经有500 kg/h的工业化系统，可形成年产3 000 t的能力；具体可采用乙炔气、氢气、天然气等工业燃料气体作为熔融粉体的洁净无污染火焰为热源，此种方法涉及热力学、流体力学、颗粒流体力学等方面的理论，与等离子体高温火焰相比，不再涉及电磁学理论及离子在电磁场中流动和运动的问题，使研究和生产控制更趋简化，更容易实现。因此，此种方法更易实现工业化大规模生产，更具发展前途和潜力。
据有关专家介绍，用化学法生产的球形石英粉，其球形度、球化率、无定形率都可达到100%，并且可以达到很低的放射性指标，但因其容积密度较低，当完全用此种球形粉制成环氧树脂塑封料，其塑封料块的密实性能、强度和线性膨胀率等受其影响，故实际使用中其最大只能加40%。
国内有人开展过单纯用机械整形法整形角状二氧化硅的试验研究，但其结果不甚理想，除难于完全整形为球形外，其主要原因是热膨胀系数不能满足要求。
国内球形二氧化硅研究已经进入了中试阶段。该方法的技术路线先后进行过三次调
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整：采用交流高频等离子体熔融法、直流等离子体熔融法和由碳极形成的电弧法等方法多次对角形二氧化硅颗粒进行熔融球化处理。现在已形成数公斤每小时产量的实验室系统，其球化率可达到80%以上。
等离子体熔融法是利用等离子枪产生的直流或交流电弧使通过电极间的气体电离产生热等离子流，然后将要处理的物质高温加热熔融后形成球形粒子。由于等离子体流的温度较高能将颗粒迅速熔融，因此可以用来制备球形二氧化硅。
交流高频等离子体熔融法加热温度高，但温度范围和温度场的调整不易控制，也就造成产品的球化率不易控制。直流等离子体熔融法和碳极电弧法温度范围适中，控制平稳，可达到较高球化率。
所以此次实验我们采用直流等离子体熔融法来处理二氧化硅。
1.3 改变砂固有特性的分析
硅砂经过高温焙烧可降低发气量及改变砂粒表面的理化性能是很好理解的，但对降低 膨胀率的理论则有不同论点。
有关资料介绍：“石英在受热过程中体积产生膨胀，这种膨胀包括温度升高而产生的热膨胀和石英同质异晶转变而产生的热膨胀”。硅砂焙烧与“温度升高而生产的热膨胀”无关，因焙烧砂仍要冷却后使用，与未焙烧砂正常的升温条件相同，因此焙烧砂热膨胀量下降只能与“石英同质异晶转变”有关。
关于石英同质异晶转变目前有两种论点：一种是α-石英在870℃可转变为鳞石英，从而体积急剧膨胀，再冷却到常温则变为鳞石英的其它变体，体积变化较小，因此可以解释旧砂的热膨胀量比新砂小。另一种论点是：α-石英在870℃以上转变为鳞石英是很难的，必须添加熔剂，而且转变很慢，即使升高温到1250～1350℃亦须一小时左右才能完成，此论点如果成立，在砂型铸造中就不存在石英同质异晶转变的膨胀。
热法再生砂和原砂相比，无论是在随温膨胀条件下还是在等温受热的条件下，热膨胀性均小于原砂。常温下α-石英的晶格结构中两个Si-O四面体相互连接成150°夹角（图1）.当砂加热到573℃时，α-石英转变成β-石英，晶体结构中两个Si-O四面体连接成180°，使砂的体积发生急剧变化。从理论上讲，当石英砂的温度由高温降至573℃以下时，将产生由β-石英到α-石英的可逆相变，体积也将恢复到原来的体积。但在实际的转变过程中，由于晶格结构发生变形时而产生的内部阻滞力，使其晶格在变回到原α-石英时，一部分变形被保留下来。石英砂可逆相变时放出的热量均小于在相变时吸收的热量，这表明一部分
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