碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃復相材料及其製備方法與流程

2023-07-08 20:54:01 2

本發明涉及微晶玻璃複合材料領域，特別涉及一種碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃復相材料及其製備方法。

背景技術：

透輝石微晶玻璃是一種性能優異的微晶玻璃，具有很高的耐磨性和很高的強度，但其一般脆性較高而韌性較低。碳化矽纖維強度韌性高、導熱係數高、熱膨脹係數與微晶玻璃材料相近、耐磨性能好，其作為增韌纖維廣泛應用於各種陶瓷基體中。若將透輝石微晶玻璃與碳化矽纖維進行複合，則碳化矽纖維會使透輝石微晶玻璃的韌性大大提高。

微晶玻璃一般採用燒結法或熔融法進行製備，其中熔融法製備的透輝石微晶玻璃體積密度相對較高，氣孔率較低，但若要採用熔融法將碳化矽纖維與微晶玻璃複合起來，則首先要解決碳化矽纖維在高溫下易被氧化的問題；其次要解決碳化矽纖維在熔體中均勻分布的問題。

在目前的現有技術中尚無採用熔融法將碳化矽纖維與透輝石微晶玻璃複合起來進行碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃復相材料的製備。

技術實現要素：

對於現有技術中存在的上述問題，發明人經過大量的創造性工作發現在熔融段末期將碳化矽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化矽纖維分散均化效果，同時噴入的氮氣可以製造非氧化性環境防止碳化矽纖維在高溫下氧化，並加速熔池內微小氣泡的長大上浮排出。發明人還發現由於碳化矽纖維的熱膨脹係數與基體玻璃基本一致，因此可避免複合材料在熱處理過程中由於熱應力較大而產生結構裂紋。

根據上述研究工作，發明人提出了如下所述的碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃復相材料及其製備方法。

一種碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃復相材料的製備方法，包含以下步驟：

步驟1，將CaO粉末、MgO粉末、SiO2粉末、Al2O3粉末以及助熔劑、晶核劑混合為均勻混合物；

步驟2，將所述混合物熔融加熱；

步驟3，在熔融過程的末期通過氮氣將碳化矽纖維噴入熔融池內並充分攪拌為均勻的熔融混合物；

步驟4，將熔融混合物澆注到經過預熱的模具中；

步驟5，將澆注到模具中的熔融混合物退火；

步驟6，將退火得到的含有碳化矽纖維的基礎玻璃核化並晶化。

進一步地，步驟1中各組分的重量份分別為：13-22重量份的CaO、8-17重量份的MgO、47-58重量份的SiO2、5-13重量份的Al2O3，1-4重量份的CaF2、分別為2-4重量份的P2O5和TiO2以及10-20重量份的碳化矽纖維。

進一步地，碳化矽纖維為粉末狀。

進一步地，上述各組分的粉末粒徑為200目以下。

進一步地，助熔劑為CaF2。

進一步地，晶核劑為P2O5和TiO2。

進一步地，步驟2中的熔融加熱在1380-1580℃的溫度下進行。

進一步地，步驟2中的熔融加熱時間為2-5小時。

進一步地，步驟4中模具的預熱在420-620℃的溫度下進行。

進一步地，步驟5中退火時間為2-5小時。

進一步地，步驟6中的核化在500-700℃的溫度下進行並核化2-4小時。

進一步地，步驟6中的晶化在700-950℃的溫度下進行並晶化2-5小時。

通過上述方法，有效地實現了碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃復相材料的高效製備。

本發明還公開了一種由上述方法製備的碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃復相材料，其包含以下組分：CaO、MgO、SiO2、Al2O3、CaF2、P2O5、TiO2以及碳化矽纖維。

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並容易理解，其中：

圖1示出了根據本發明一個實施例的碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃復相材料製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範圍內。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。

實施例一

參考圖1，在步驟S100中，將14重量份的CaO粉末、10重量份的MgO粉末、49重量份的SiO2粉末、5重量份的Al2O3粉末以及2重量份的助熔劑CaF2粉末、分別為2重量份的晶核劑P2O5粉末和TiO2粉末混合為均勻混合物。隨後在步驟S200中，將上述混合物在1550℃下熔融3個小時，以保證混合物的充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將15重量份的粉末狀碳化矽纖維通過氮氣流噴入熔池內部並進行充分攪拌，使碳化矽纖維在熔融的混合物中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳化矽纖維的熔融混合物。如步驟S400所示，將步驟S300得到的熔融混合物澆注進入經550℃充分預熱的模具之中，並在550℃的溫度下退火3小時，得到了含碳化矽纖維的基礎玻璃。隨後在步驟S500中，將含有碳化矽纖維的基礎玻璃在650℃的溫度下核化2小時，再在850℃的溫度下晶化4小時得到碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃複合材料。

實施例二

參考圖1，在步驟S100中，將16重量份的CaO粉末、9重量份的MgO粉末、47重量份的SiO2粉末、5重量份的Al2O3粉末以及3重量份的助熔劑CaF2粉末、分別為2重量份的晶核劑P2O5粉末和TiO2粉末混合為均勻混合物。隨後在步驟S200中，將上述混合物在1560℃下熔融4個小時，以保證混合物的充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將16重量份的粉末狀碳化矽纖維通過氮氣流噴入熔池內部並進行充分攪拌，使碳化矽纖維在熔融的混合物中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳化矽纖維的熔融混合物。如步驟S400所示，將步驟S300得到的熔融混合物澆注進入經580℃充分預熱的模具之中，並在580℃的溫度下退火2小時，得到了含碳化矽纖維的基礎玻璃。隨後在步驟S500中，將含有碳化矽纖維的基礎玻璃在630℃的溫度下核化2小時，再在830℃的溫度下晶化4小時得到碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃複合材料。

實施例三

參考圖1，在步驟S100中，將13重量份的CaO粉末、8重量份的MgO粉末、47重量份的SiO2粉末、13重量份的Al2O3粉末以及4重量份的助熔劑CaF2粉末、分別為2重量份的晶核劑P2O5粉末和TiO2粉末混合為均勻混合物。隨後在步驟S200中，將上述混合物在1380℃下熔融5個小時，以保證混合物的充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將10重量份的粉末狀碳化矽纖維通過氮氣流噴入熔池內部並進行充分攪拌，使碳化矽纖維在熔融的混合物中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳化矽纖維的熔融混合物。如步驟S400所示，將步驟S300得到的熔融混合物澆注進入經420℃充分預熱的模具之中，並在420℃的溫度下退火5小時，得到了含碳化矽纖維的基礎玻璃。隨後在步驟S500中，將含有碳化矽纖維的基礎玻璃在510℃的溫度下核化4小時，再在710℃的溫度下晶化5小時得到碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃複合材料。

實施例四

參考圖1，在步驟S100中，將22重量份的CaO粉末、10重量份的MgO粉末、47重量份的SiO2粉末、5重量份的Al2O3粉末以及1重量份的助熔劑CaF2粉末、分別為2重量份的晶核劑P2O5粉末和TiO2粉末混合為均勻混合物。隨後在步驟S200中，將上述混合物在1550℃下熔融2個小時，以保證混合物的充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將10重量份的粉末狀碳化矽纖維通過氮氣流噴入熔池內部並進行充分攪拌，使碳化矽纖維在熔融的混合物中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳化矽纖維的熔融混合物。如步驟S400所示，將步驟S300得到的熔融混合物澆注進入經620℃充分預熱的模具之中，並在620℃的溫度下退火2小時，得到了含碳化矽纖維的基礎玻璃。隨後在步驟S500中，將含有碳化矽纖維的基礎玻璃在700℃的溫度下核化2小時，再在950℃的溫度下晶化4小時得到碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃複合材料。

實施例五

參考圖1，在步驟S100中，將13重量份的CaO粉末、17重量份的MgO粉末、47重量份的SiO2粉末、5重量份的Al2O3粉末以及1重量份的助熔劑CaF2粉末、2重量份的晶核劑P2O5粉末和4重量份的晶核劑TiO2粉末混合為均勻混合物。隨後在步驟S200中，將上述混合物在1480℃下熔融3個小時，以保證混合物的充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將10重量份的粉末狀碳化矽纖維通過氮氣流噴入熔池內部並進行充分攪拌，使碳化矽纖維在熔融的混合物中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳化矽纖維的熔融混合物。如步驟S400所示，將步驟S300得到的熔融混合物澆注進入經550℃充分預熱的模具之中，並在550℃的溫度下退火3小時，得到了含碳化矽纖維的基礎玻璃。隨後在步驟S500中，將含有碳化矽纖維的基礎玻璃在600℃的溫度下核化3小時，再在830℃的溫度下晶化4小時得到碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃複合材料。

實施例六

參考圖1，在步驟S100中，將13重量份的CaO粉末、17重量份的MgO粉末、47重量份的SiO2粉末、5重量份的Al2O3粉末以及1重量份的助熔劑CaF2粉末、4重量份的晶核劑P2O5粉末和2重量份的晶核劑TiO2粉末混合為均勻混合物。隨後在步驟S200中，將上述混合物在1480℃下熔融3個小時，以保證混合物的充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將10重量份的粉末狀碳化矽纖維通過氮氣流噴入熔池內部並進行充分攪拌，使碳化矽纖維在熔融的混合物中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳化矽纖維的熔融混合物。如步驟S400所示，將步驟S300得到的熔融混合物澆注進入經550℃充分預熱的模具之中，並在550℃的溫度下退火3小時，得到了含碳化矽纖維的基礎玻璃。隨後在步驟S500中，將含有碳化矽纖維的基礎玻璃在600℃的溫度下核化3小時，再在830℃的溫度下晶化4小時得到碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃複合材料。

實施例七

參考圖1，在步驟S100中，將22重量份的CaO粉末、8重量份的MgO粉末、47重量份的SiO2粉末、5重量份的Al2O3粉末以及1重量份的助熔劑CaF2粉末、分別為2重量份的晶核劑P2O5粉末和TiO2粉末混合為均勻混合物。隨後在步驟S200中，將上述混合物在1480℃下熔融3個小時，以保證混合物的充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將12重量份的粉末狀碳化矽纖維通過氮氣流噴入熔池內部並進行充分攪拌，使碳化矽纖維在熔融的混合物中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳化矽纖維的熔融混合物。如步驟S400所示，將步驟S300得到的熔融混合物澆注進入經550℃充分預熱的模具之中，並在550℃的溫度下退火3小時，得到了含碳化矽纖維的基礎玻璃。隨後在步驟S500中，將含有碳化矽纖維的基礎玻璃在600℃的溫度下核化3小時，再在830℃的溫度下晶化4小時得到碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃複合材料。

實施例八

參考圖1，在步驟S100中，將13重量份的CaO粉末、8重量份的MgO粉末、58重量份的SiO2粉末、5重量份的Al2O3粉末以及1重量份的助熔劑CaF2粉末、分別為2重量份的晶核劑P2O5粉末和TiO2粉末混合為均勻混合物。隨後在步驟S200中，將上述混合物在1480℃下熔融3個小時，以保證混合物的充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將10重量份的粉末狀碳化矽纖維通過氮氣流噴入熔池內部並進行充分攪拌，使碳化矽纖維在熔融的混合物中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳化矽纖維的熔融混合物。如步驟S400所示，將步驟S300得到的熔融混合物澆注進入經550℃充分預熱的模具之中，並在550℃的溫度下退火3小時，得到了含碳化矽纖維的基礎玻璃。隨後在步驟S500中，將含有碳化矽纖維的基礎玻璃在600℃的溫度下核化3小時，再在830℃的溫度下晶化4小時得到碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃複合材料。

實施例九

參考圖1，在步驟S100中，將13重量份的CaO粉末、8重量份的MgO粉末、48重量份的SiO2粉末、5重量份的Al2O3粉末以及1重量份的助熔劑CaF2粉末、分別為2重量份的晶核劑P2O5粉末和TiO2粉末混合為均勻混合物。隨後在步驟S200中，將上述混合物在1480℃下熔融3個小時，以保證混合物的充分熔融。接著在步驟S200的熔融階段末期，按照步驟S300所示，將20重量份的粉末狀碳化矽纖維通過氮氣流噴入熔池內部並進行充分攪拌，使碳化矽纖維在熔融的混合物中均勻分布從而得到含有均勻分布的碳化矽纖維的熔融混合物。如步驟S400所示，將步驟S300得到的熔融混合物澆注進入經550℃充分預熱的模具之中，並在550℃的溫度下退火3小時，得到了含碳化矽纖維的基礎玻璃。隨後在步驟S500中，將含有碳化矽纖維的基礎玻璃在600℃的溫度下核化3小時，再在830℃的溫度下晶化4小時得到碳化矽纖維增韌透輝石微晶玻璃複合材料。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明的實施範圍；如果不脫離本發明的精神和範圍，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範圍當中。