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-堇青石微晶玻璃復(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(duì)較低、氣孔率較高、微晶玻璃基體與碳纖維結(jié)合較差等問(wèn)題。

相對(duì)而言，熔融法制備的微晶玻璃體積密度相對(duì)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(lái)，則首先要解決碳纖維在高溫熔體中易被氧化的問(wèn)題；其次要解決碳纖維在熔體中均勻分布的問(wèn)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(guò)程中易由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂紋的問(wèn)題。

在目前的現(xiàn)有技術(shù)中尚無(wú)采用熔融法將碳纖維與堇青石微晶玻璃復(fù)合起來(lái)，制備碳纖維-堇青石微晶玻璃復(fù)相材料的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，發(fā)明人經(jīng)過(guò)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?dú)饬鲊娙肴鄢貎?nèi)部同時(shí)充分?jǐn)嚢杩梢匀〉幂^好的碳纖維分散均化效果，同時(shí)噴入的氮?dú)饪梢灾圃旆茄趸原h(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(zhǎng)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(lái)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(guò)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-堇青石微晶玻璃復(fù)相材料的制備方法。

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

1)將MgO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(guò)程的末期通過(guò)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(guò)預(yù)熱的模具中并經(jīng)過(guò)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-堇青石微晶玻璃復(fù)相材料。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述步驟1)中各粉末的比例為：MgO18-26重量份、SiO₂48-60重量份、Al₂O₃ 10-24重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述步驟1)中助熔劑為B₂O₃，晶核劑為Cr₂O₃和P₂O₅，調(diào)整劑為Na₂O和BaO。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，B₂O₃的比例為2-6重量份，Cr₂O₃和P₂O₅的比例分別為1-3重量份，Na₂O和BaO的比例共為4-8重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)施例，碳纖維的比例為8-15重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述步驟2)中的氣體流為氮?dú)饬鳌?/p>

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述步驟2)中熔融加熱在1480-1650℃的溫度下進(jìn)行，步驟4)中的模具的預(yù)熱溫度為450-650℃、退火溫度為4500-650℃，步驟5)中的核化溫度為550-750℃、晶化溫度為750-980℃。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述步驟2)中的熔融加熱時(shí)間為3-6小時(shí)，步驟4)中的退火時(shí)間為4-8小時(shí)，步驟5)中的核化時(shí)間為2-3小時(shí)、晶化時(shí)間為4-8小時(shí)。

本發(fā)明通過(guò)上述方法，有效地實(shí)現(xiàn)了碳纖維-堇青石微晶玻璃復(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-堇青石微晶玻璃復(fù)相材料。

本發(fā)明制備的碳纖維-堇青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(diǎn)。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)在與附圖結(jié)合對(duì)實(shí)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-堇青石微晶玻璃復(fù)相材料制備方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

應(yīng)當(dāng)理解，在示例性實(shí)施例中所示的本發(fā)明的實(shí)施例僅是說(shuō)明性的。雖然在本發(fā)明中僅對(duì)少數(shù)實(shí)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(huì)在未實(shí)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(duì)以下示例性實(shí)施例的設(shè)計(jì)、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-堇青石微晶玻璃復(fù)相材料的制備方法。參照?qǐng)D1，該制備方法包括以下步驟：

S100按比例混合

在本發(fā)明中，將MgO粉末、SiO₂粉末、Al₂O₃粉末、助熔劑B₂O₃、晶核劑Cr₂O₃與P₂O₅、調(diào)整劑Na₂O與BaO按比例混合均勻，得到制備堇青石微晶玻璃的主要原料。其中上述各組分的比例為MgO 18-26重量份、SiO₂ 48-60重量份、Al₂O₃ 10-24重量份、助熔劑B₂O₃ 2-6重量份、晶核劑Cr₂O₃ 1-3重量份和P₂O₅ 1-3重量份、調(diào)整劑Na₂O和BaO共4-8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中得到的制備堇青石微晶玻璃的主要原料在1480-1650℃熔融加熱3-6小時(shí)，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8-15重量份的碳纖維粉末以氮?dú)饬鲊娙肴鄢貎?nèi)部并攪拌，其中氮?dú)饬鞯淖饔脼椋旱谝皇侵圃旆茄趸詺夥?，保護(hù)碳纖維粉末不被過(guò)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(zhǎng)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(guò)450-650℃預(yù)熱的模具中并退火溫度退火4-8小時(shí)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550-750℃下核化2-3小時(shí)，再升溫至750-980℃晶化4-8小時(shí)，進(jìn)而得到碳纖維-堇青石微晶玻璃復(fù)相材料。

根據(jù)本發(fā)明的碳纖維-堇青石微晶玻璃復(fù)相材料的制備方法，采用氮?dú)鈬姶祵?shí)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(shí)由于通過(guò)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(guò)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(guò)程中開(kāi)裂的現(xiàn)象。

下面參照具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。

實(shí)施例一

參照?qǐng)D1，在步驟S100中，將18重量份的MgO粉末、50重量份的SiO₂粉末、10重量份的Al₂O₃粉末、3重量份的助熔劑B₂O₃、分別為2重量份的晶核劑Cr₂O₃和P₂O₅以及共為6重量份的調(diào)整劑Na₂O和BaO混合均勻，得到制備堇青石微晶玻璃的主要原料。隨后在步驟S200中，將上述原料在1560℃下熔融4個(gè)小時(shí)，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9重量份的粉末狀碳纖維通過(guò)氮?dú)饬鲊娙肴鄢貎?nèi)部并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使碳纖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)590℃充分預(yù)熱的模具之中，并在590℃的溫度下退火3小時(shí)，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640℃的溫度下核化2小時(shí)，再在870℃的溫度下晶化4小時(shí)得到碳纖維-堇青石微晶玻璃復(fù)合材料。

實(shí)施例二

參照?qǐng)D1，在步驟S100中，將18重量份的MgO粉末、49重量份的SiO₂粉末、10重量份的Al₂O₃粉末、2重量份的助熔劑B₂O₃、分別為2重量份和1重量份的晶核劑Cr₂O₃和P₂O₅以及共為5重量份的調(diào)整劑Na₂O和BaO混合均勻，得到制備堇青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(gè)小時(shí)，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(guò)氮?dú)饬鲊娙肴鄢貎?nèi)部并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使碳纖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)590℃充分預(yù)熱的模具之中，并在590℃的溫度下退火3小時(shí)，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(shí)，再在880℃的溫度下晶化3小時(shí)得到碳纖維-堇青石微晶玻璃復(fù)合材料。

實(shí)施例三

參照?qǐng)D1，在步驟S100中，將20重量份的MgO粉末、60重量份的SiO₂粉末、24重量份的Al₂O₃粉末、5重量份的助熔劑B₂O₃、分別為2重量份和3重量份的晶核劑Cr₂O₃和P₂O₅以及共為4重量份的調(diào)整劑Na₂O和BaO混合均勻，得到制備堇青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6個(gè)小時(shí)，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8重量份的粉末狀碳纖維通過(guò)氮?dú)饬鲊娙肴鄢貎?nèi)部并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使碳纖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(shí)，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600℃的溫度下核化3小時(shí)，再在900℃的溫度下晶化6小時(shí)得到碳纖維-堇青石微晶玻璃復(fù)合材料。

實(shí)施例四

參照?qǐng)D1，在步驟S100中，將26重量份的MgO粉末、48重量份的SiO₂粉末、20重量份的Al₂O₃粉末、6重量份的助熔劑B₂O₃、分別為1重量份和2重量份的晶核劑Cr₂O₃和P₂O₅以及共為8重量份的調(diào)整劑Na₂O和BaO混合均勻，得到制備堇青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3個(gè)小時(shí)，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10重量份的粉末狀碳纖維通過(guò)氮?dú)饬鲊娙肴鄢貎?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)650℃充分預(yù)熱的模具之中，并在650℃的溫度下退火6小時(shí)，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750℃的溫度下核化3小時(shí)，再在850℃的溫度下晶化5小時(shí)得到碳纖維-堇青石微晶玻璃復(fù)合材料。

實(shí)施例五

參照?qǐng)D1，在步驟S100中，將22重量份的MgO粉末、50重量份的SiO₂粉末、15重量份的Al₂O₃粉末、4重量份的助熔劑B₂O₃、分別為2重量份的晶核劑Cr₂O₃和P₂O₅以及共為6重量份的調(diào)整劑Na₂O和BaO混合均勻，得到制備堇青石微晶玻璃的主要原料。隨后在步驟S200中，將上述原料在1650℃下熔融3個(gè)小時(shí)，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12重量份的粉末狀碳纖維通過(guò)氮?dú)饬鲊娙肴鄢貎?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)620℃充分預(yù)熱的模具之中，并在620℃的溫度下退火5小時(shí)，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720℃的溫度下核化3小時(shí)，再在920℃的溫度下晶化6小時(shí)得到碳纖維-堇青石微晶玻璃復(fù)合材料。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限定本發(fā)明的實(shí)施范圍；如果不脫離本發(fā)明的精神和范圍，對(duì)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。