本發(fā)明涉及微晶玻璃復(fù)合材料領(lǐng)域，更具體地，涉及一種碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

目前，制備碳纖維-微晶玻璃復(fù)相材料通常采用燒結(jié)法，但是存在很多不足，主要有燒結(jié)法制備的微晶玻璃體積密度相對較低、氣孔率較高、微晶玻璃基體與碳纖維結(jié)合較差等問題。

相對而言，熔融法制備的微晶玻璃體積密度相對較高、氣孔率較低，但若要采用熔融法將碳纖維與微晶玻璃復(fù)合起來，則首先要解決碳纖維在高溫熔體中易被氧化的問題；其次要解決碳纖維在熔體中均勻分布的問題；最后要解決基礎(chǔ)玻璃熱膨脹系數(shù)與碳纖維不一致而導(dǎo)致基礎(chǔ)玻璃在核化、晶化熱處理過程中易由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂紋的問題。

在目前的現(xiàn)有技術(shù)中尚無采用熔融法將碳纖維與硅灰石微晶玻璃復(fù)合起來，制備碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料的報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，發(fā)明人經(jīng)過大量的創(chuàng)造性工作發(fā)現(xiàn)在熔融段末期將碳纖維以氮氣流噴入熔池內(nèi)部同時充分?jǐn)嚢杩梢匀〉幂^好的碳纖維分散均化效果，同時噴入的氮氣可以制造非氧化性環(huán)境防止碳纖維在高溫下氧化，并加速熔池內(nèi)微小氣泡的長大上浮排出。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)由于碳纖維的熱膨脹系數(shù)略大于基礎(chǔ)玻璃，因此需要加入一定量的調(diào)整劑來調(diào)整基礎(chǔ)玻璃的熱膨脹系數(shù)，使之與碳纖維的熱膨脹系數(shù)相近，避免基礎(chǔ)玻璃在核化晶化過程中由于熱應(yīng)力而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)裂紋。

根據(jù)上述研究工作，發(fā)明人提出了如下所述的碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料的制備方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料的制備方法，包含以下步驟：

1)將CaO粉末、SiO₂粉末、Al₂O₃粉末以及助熔劑、晶核劑、調(diào)整劑按比例混合均勻，得到混合原料；

2)將步驟1)中得到的混合原料熔融加熱；

3)在步驟2)中熔融過程的末期通過氣體流將碳纖維噴入熔融池內(nèi)并充分?jǐn)嚢杈鶆颍玫胶刑祭w維的熔融原料；

4)將步驟3)中得到的含有碳纖維的熔融原料澆注到經(jīng)過預(yù)熱的模具中并經(jīng)過退火得到含有碳纖維的基礎(chǔ)玻璃；

5)將步驟4)中得到的含有碳纖維的基礎(chǔ)玻璃核化并晶化，得到碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，上述步驟1)中各粉末的比例為：CaO 12-16重量份、SiO₂ 44-56重量份、Al₂O₃ 6-12重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，上述步驟中助熔劑為CaF₂，晶核劑為Cr₂O₃和T_iO₂，調(diào)整劑為MgO。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，CaF₂的比例為2-6重量份，Cr₂O₃和T_iO₂的比例分別為1-3重量份，MgO的比例為6-12重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，上述步驟3)中加入的碳纖維為粉末狀。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，碳纖維的比例為15-20重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，上述步驟2)中的氣體流為氮氣流。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，上述步驟2)中熔融加熱在1430-1600℃的溫度下進(jìn)行，步驟4)中的模具的預(yù)熱溫度為400-600℃、退火溫度為400-600℃，步驟5)中的核化溫度為530-730℃、晶化溫度為730-930℃。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，上述步驟2)中的熔融加熱時間為2-5小時，所述步驟4)中的退火時間為2-5小時，步驟5)中的核化時間為2-3小時、晶化時間為2-4小時。

本發(fā)明通過上述方法，有效地實現(xiàn)了碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料的高效制備。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種采用上述制備方法制備的碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料。

本發(fā)明制備的碳纖維-硅灰石微晶玻璃材料具有氣孔率遠(yuǎn)低于燒結(jié)法微晶玻璃、碳纖維與基體玻璃結(jié)合緊密、材料韌性大大提高等特點。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點在與附圖結(jié)合對實施例進(jìn)行的描述中將更加明顯并容易理解，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料制備方法的流程示意圖。

具體實施方式

應(yīng)當(dāng)理解，在示例性實施例中所示的本發(fā)明的實施例僅是說明性的。雖然在本發(fā)明中僅對少數(shù)實施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易領(lǐng)會在未實質(zhì)脫離本發(fā)明主題的教導(dǎo)情況下，多種修改是可行的。相應(yīng)地，所有這樣的修改都應(yīng)當(dāng)被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在不脫離本發(fā)明的主旨的情況下，可以對以下示例性實施例的設(shè)計、操作條件和參數(shù)等做出其他的替換、修改、變化和刪減。

本發(fā)明提供一種碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料的制備方法。參照圖1，該制備方法包括以下步驟：

S100按比例混合

在本發(fā)明中，將CaO粉末、SiO₂粉末、Al₂O₃粉末、助熔劑CaF₂、晶核劑Cr₂O₃與TiO₂、調(diào)整劑MgO按比例混合均勻，得到制備硅灰石微晶玻璃的主要原料。其中上述各組分的比例為CaO 12-16重量份、SiO₂ 44-56重量份、Al₂O₃ 6-12重量份、助熔劑CaF₂ 2-6重量份、晶核劑Cr₂O₃ 1-3重量份和TiO₂ 1-3重量份、調(diào)整劑MgO 6-12重量份，粉末的粒徑小于200目。

S200充分熔融

在本發(fā)明中，將S100中得到的制備硅灰石微晶玻璃的主要原料在1430-1600℃熔融加熱2-5小時，以使原料充分熔融均化、各化學(xué)成分分布均勻。

S300碳纖維噴入及攪拌

在本發(fā)明中，在熔融段末期，將15-20重量份的碳纖維粉末以氮氣流噴入熔池內(nèi)部并攪拌，其中氮氣流的作用為：第一是制造非氧化性氣氛，保護(hù)碳纖維粉末不被過度氧化；第二是促進(jìn)碳纖維粉末在熔池內(nèi)部的均勻分散；第三是促進(jìn)熔融原料中原有的微小氣泡的長大上浮。

S400澆鑄及退火

在本發(fā)明中，將含有碳纖維的熔融原料澆鑄進(jìn)入經(jīng)過400-600℃預(yù)熱的模具中并在400-600℃退火2-5小時候后再隨爐降溫，得到含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃。

S500核化及晶化

在本發(fā)明中，將含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃在530-730℃下核化2-3小時，再升溫至730-930℃晶化2-4小時，進(jìn)而得到碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料。

根據(jù)本發(fā)明的碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)相材料的制備方法，采用氮氣噴吹實現(xiàn)了碳纖維在熔池中的均勻分布，得到的基礎(chǔ)玻璃與碳纖維結(jié)合非常緊密，同時由于通過加入一定量的調(diào)整劑調(diào)整了基礎(chǔ)玻璃的熱膨脹系數(shù)，因此基礎(chǔ)玻璃在加熱核化晶化過程中與碳纖維的熱膨脹系數(shù)相近，避免了由于熱膨脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生較大應(yīng)力造成基礎(chǔ)玻璃晶化過程中開裂的現(xiàn)象。

下面參照具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行說明。

實施例一

參照圖1，在步驟S100中，將12重量份的CaO粉末、46重量份的SiO₂粉末、10重量份的Al₂O₃粉末、3重量份的助熔劑CaF₂、分別為2重量份的晶核劑Cr₂O₃和TiO₂以及10重量份的調(diào)整劑MgO混合均勻，得到制備硅灰石微晶玻璃的主要原料。隨后在步驟S200中，將上述原料在1530℃下熔融4個小時，以保證原料充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將15重量份的粉末狀碳纖維通過氮氣流噴入熔池內(nèi)部并進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁固祭w維在熔融原料中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳纖維的熔融原料。隨后在步驟S400，將步驟S300得到的含碳纖維的熔融原料澆注進(jìn)入經(jīng)580℃充分預(yù)熱的模具之中，并在580℃的溫度下退火2小時，得到含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃。隨后在步驟S500中，將含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃在660℃的溫度下核化2小時，再在860℃的溫度下晶化4小時得到碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)合材料。

實施例二

參照圖1，在步驟S100中，將15重量份的CaO粉末、50重量份的SiO₂粉末、6重量份的Al₂O₃粉末、2重量份的助熔劑CaF₂、分別為2重量份的晶核劑Cr₂O₃和TiO₂以及7重量份的調(diào)整劑MgO混合均勻，得到制備硅灰石微晶玻璃的主要原料。隨后在步驟S200中，將上述原料在1550℃下熔融4個小時，以保證原料充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將15重量份的粉末狀碳纖維通過氮氣流噴入熔池內(nèi)部并進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁固祭w維在熔融原料中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳纖維的熔融原料。隨后在步驟S400，將步驟S300得到的含碳纖維的熔融原料澆注進(jìn)入經(jīng)560℃充分預(yù)熱的模具之中，并在560℃的溫度下退火2小時，得到含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃。隨后在步驟S500中，將含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃在650℃的溫度下核化2小時，再在850℃的溫度下晶化3小時得到碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)合材料。

實施例三

參照圖1，在步驟S100中，將16重量份的CaO粉末、56重量份的SiO₂粉末、12重量份的Al₂O₃粉末、4重量份的助熔劑CaF₂、分別為3重量份的晶核劑Cr₂O₃和TiO₂以及6重量份的調(diào)整劑MgO混合均勻，得到制備硅灰石微晶玻璃的主要原料。隨后在步驟S200中，將上述原料在1580℃下熔融3個小時，以保證原料充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將18重量份的粉末狀碳纖維通過氮氣流噴入熔池內(nèi)部并進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁固祭w維在熔融原料中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳纖維的熔融原料。隨后在步驟S400，將步驟S300得到的含碳纖維的熔融原料澆注進(jìn)入經(jīng)600℃充分預(yù)熱的模具之中，并在600℃的溫度下退火3小時，得到含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃。隨后在步驟S500中，將含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃在700℃的溫度下核化2小時，再在800℃的溫度下晶化3小時得到碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)合材料。

實施例四

參照圖1，在步驟S100中，將16重量份的CaO粉末、44重量份的SiO₂粉末、10重量份的Al₂O₃粉末、6重量份的助熔劑CaF₂、分別為1重量份和2重量份的晶核劑Cr₂O₃和TiO₂以及10重量份的調(diào)整劑MgO混合均勻，得到制備硅灰石微晶玻璃的主要原料。隨后在步驟S200中，將上述原料在1600℃下熔融2個小時，以保證原料充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將20重量份的粉末狀碳纖維通過氮氣流噴入熔池內(nèi)部并進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁固祭w維在熔融原料中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳纖維的熔融原料。隨后在步驟S400，將步驟S300得到的含碳纖維的熔融原料澆注進(jìn)入經(jīng)580℃充分預(yù)熱的模具之中，并在580℃的溫度下退火4小時，得到含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃。隨后在步驟S500中，將含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃在730℃的溫度下核化2小時，再在830℃的溫度下晶化4小時得到碳纖維-硅灰石微晶玻璃復(fù)合材料。

實施例五

參照圖1，在步驟S100中，將15重量份的CaO粉末、50重量份的SiO₂粉末、10重量份的Al₂O₃粉末、5重量份的助熔劑CaF₂、分別為3重量份和2重量份的晶核劑Cr₂O₃和TiO₂以及10重量份的調(diào)整劑MgO混合均勻，得到制備硅灰石微晶玻璃的主要原料。隨后在步驟S200中，將上述原料在1500℃下熔融4個小時，以保證原料充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將17重量份的粉末狀碳纖維通過氮氣流噴入熔池內(nèi)部并進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁固祭w維在熔融原料中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳纖維的熔融原料。隨后在步驟S400，將步驟S300得到的含碳纖維的熔融原料澆注進(jìn)入經(jīng)500℃充分預(yù)熱的模具之中，并在500℃的溫度下退火5小時，得到含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃。隨后在步驟S500中，將含碳纖維的基礎(chǔ)玻璃在700℃的溫度下核化3小時，再在900℃的溫度下晶化2小時得到碳纖維硅-灰石微晶玻璃復(fù)合材料。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；如果不脫離本發(fā)明的精神和范圍，對本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍當(dāng)中。