本發明涉及微晶玻璃復合材料領域，更具體地，涉及一種碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料及其制備方法。
背景技術：
目前，制備碳纖維-微晶玻璃復相材料通常采用燒結法，但是存在很多不足，主要有燒結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；最后要解決基礎玻璃熱膨脹系數與碳纖維不一致而導致基礎玻璃在核化、晶化熱處理過程中易由于熱應力而產生結構裂紋的問題。
在目前的現有技術中尚無采用熔融法將碳纖維與硅灰石微晶玻璃復合起來，制備碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料的報道。
技術實現要素：
針對上述問題，發明人經過大量的創造性工作發現在熔融段末期將碳纖維以氮氣流噴入熔池內部同時充分攪拌可以取得較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境防止碳纖維在高溫下氧化，并加速熔池內微小氣泡的長大上浮排出。發明人還發現由于碳纖維的熱膨脹系數略大于基礎玻璃，因此需要加入一定量的調整劑來調整基礎玻璃的熱膨脹系數，使之與碳纖維的熱膨脹系數相近，避免基礎玻璃在核化晶化過程中由于熱應力而導致的結構裂紋。
根據上述研究工作，發明人提出了如下所述的碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料的制備方法。
根據本發明的一個方面，提供一種碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料的制備方法，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并充分攪拌均勻，得到含有碳纖維的熔融原料；
4)將步驟3)中得到的含有碳纖維的熔融原料澆注到經過預熱的模具中并經過退火得到含有碳纖維的基礎玻璃；
5)將步驟4)中得到的含有碳纖維的基礎玻璃核化并晶化，得到碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料。
根據本發明的一個實施例，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。
根據本發明的一個實施例，上述步驟中助熔劑為CaF2，晶核劑為Cr2O3和TiO2，調整劑為MgO。
根據本發明的一個實施例，CaF2的比例為2-6重量份，Cr2O3和TiO2的比例分別為1-3重量份，MgO的比例為6-12重量份。
根據本發明的一個實施例，上述步驟3)中加入的碳纖維為粉末狀。
根據本發明的一個實施例，碳纖維的比例為15-20重量份。
根據本發明的一個實施例，上述步驟2)中的氣體流為氮氣流。
根據本發明的一個實施例，上述步驟2)中熔融加熱在1430-1600℃的溫度下進行，步驟4)中的模具的預熱溫度為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℃。
根據本發明的一個實施例，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。
本發明通過上述方法，有效地實現了碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料的高效制備。
根據本發明的另一方面，還提供一種采用上述制備方法制備的碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料。
本發明制備的碳纖維-硅灰石微晶玻璃材料具有氣孔率遠低于燒結法微晶玻璃、碳纖維與基體玻璃結合緊密、材料韌性大大提高等特點。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點在與附圖結合對實施例進行的描述中將更加明顯并容易理解，其中：
圖1示出了根據本發明的碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料制備方法的流程示意圖。
具體實施方式
應當理解，在示例性實施例中所示的本發明的實施例僅是說明性的。雖然在本發明中僅對少數實施例進行了詳細描述，但本領域技術人員很容易領會在未實質脫離本發明主題的教導情況下，多種修改是可行的。相應地，所有這樣的修改都應當被包括在本發明的范圍內。在不脫離本發明的主旨的情況下，可以對以下示例性實施例的設計、操作條件和參數等做出其他的替換、修改、變化和刪減。
本發明提供一種碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料的制備方法。參照圖1，該制備方法包括以下步驟：
S100按比例混合
在本發明中，將CaO粉末、SiO2粉末、Al2O3粉末、助熔劑CaF2、晶核劑Cr2O3與TiO2、調整劑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、各化學成分分布均勻。
S300碳纖維噴入及攪拌
在本發明中，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，保護碳纖維粉末不被過度氧化；第二是促進碳纖維粉末在熔池內部的均勻分散；第三是促進熔融原料中原有的微小氣泡的長大上浮。
S400澆鑄及退火
在本發明中，將含有碳纖維的熔融原料澆鑄進入經過400-600℃預熱的模具中并在400-600℃退火2-5小時候后再隨爐降溫，得到含碳纖維的基礎玻璃。
S500核化及晶化
在本發明中，將含碳纖維的基礎玻璃在530-730℃下核化2-3小時，再升溫至730-930℃晶化2-4小時，進而得到碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料。
根據本發明的碳纖維-硅灰石微晶玻璃復相材料的制備方法，采用氮氣噴吹實現了碳纖維在熔池中的均勻分布，得到的基礎玻璃與碳纖維結合非常緊密，同時由于通過加入一定量的調整劑調整了基礎玻璃的熱膨脹系數，因此基礎玻璃在加熱核化晶化過程中與碳纖維的熱膨脹系數相近，避免了由于熱膨脹系數不一致而產生較大應力造成基礎玻璃晶化過程中開裂的現象。
下面參照具體實施例，對本發明進行說明。
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部并進行充分攪拌，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入經580℃充分預熱的模具之中，并在580℃的溫度下退火2小時，得到含碳纖維的基礎玻璃。隨后在步驟S500中，將含碳纖維的基礎玻璃在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部并進行充分攪拌，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入經560℃充分預熱的模具之中，并在560℃的溫度下退火2小時，得到含碳纖維的基礎玻璃。隨后在步驟S500中，將含碳纖維的基礎玻璃在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部并進行充分攪拌，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入經600℃充分預熱的模具之中，并在600℃的溫度下退火3小時，得到含碳纖維的基礎玻璃。隨后在步驟S500中，將含碳纖維的基礎玻璃在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部并進行充分攪拌，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入經580℃充分預熱的模具之中，并在580℃的溫度下退火4小時，得到含碳纖維的基礎玻璃。隨后在步驟S500中，將含碳纖維的基礎玻璃在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部并進行充分攪拌，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入經500℃充分預熱的模具之中，并在500℃的溫度下退火5小時，得到含碳纖維的基礎玻璃。隨后在步驟S500中，將含碳纖維的基礎玻璃在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-灰石微晶玻璃復合材料。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，并非用來限定本發明的實施范圍；如果不脫離本發明的精神和范圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明權利要求的保護范圍當中。