本发明涉及微晶玻璃复合材料领域，更具体地，涉及一种碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料及其制备方法。
背景技术：
目前，制备碳纤维-微晶玻璃复相材料通常采用烧结法，但是存在很多不足，主要有烧结法制备的微晶玻璃体积密度相对较低、气孔率较高、微晶玻璃基体与碳纤维结合较差等问题。
相对而言，熔融法制备的微晶玻璃体积密度相对较高、气孔率较低，但若要采用熔融法将碳纤维与微晶玻璃复合起来，则首先要解决碳纤维在高温熔体中易被氧化的问题；其次要解决碳纤维在熔体中均匀分布的问题；最后要解决基础玻璃热膨胀系数与碳纤维不一致而导致基础玻璃在核化、晶化热处理过程中易由于热应力而产生结构裂纹的问题。
在目前的现有技术中尚无采用熔融法将碳纤维与堇青石微晶玻璃复合起来，制备碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料的报道。
技术实现要素：
针对上述问题，发明人经过大量的创造性工作发现在熔融段末期将碳纤维以氮气流喷入熔池内部同时充分搅拌可以取得较好的碳纤维分散均化效果，同时喷入的氮气可以制造非氧化性环境防止碳纤维在高温下氧化，并加速熔池内微小气泡的长大上浮排出。发明人还发现由于碳纤维的热膨胀系数略大于基础玻璃，因此需要加入一定量的调整剂来调整基础玻璃的热膨胀系数，使之与碳纤维的热膨胀系数相近，避免基础玻璃在核化晶化过程中由于热应力而导致的结构裂纹。
根据上述研究工作，发明人提出了如下所述的碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料的制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料的制备方法，包含以下步骤：
1)将MgO粉末、SiO2粉末、Al2O3粉末以及助熔剂、晶核剂、调整剂按比例混合均匀，得到混合原料；
2)将步骤1)中得到的混合原料熔融加热；
3)在步骤2)中熔融过程的末期通过气体流将碳纤维喷入熔融池内并充分搅拌均匀，得到含有碳纤维的熔融原料；
4)将步骤3)中得到的含有碳纤维的熔融原料浇注到经过预热的模具中并经过退火得到含有碳纤维的基础玻璃；
5)将步骤4)中得到的含有碳纤维的基础玻璃核化并晶化，得到碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料。
根据本发明的一个实施例，上述步骤1)中各粉末的比例为：MgO18-26重量份、SiO248-60重量份、Al2O3 10-24重量份。
根据本发明的一个实施例，上述步骤1)中助熔剂为B2O3，晶核剂为Cr2O3和P2O5，调整剂为Na2O和BaO。
根据本发明的一个实施例，B2O3的比例为2-6重量份，Cr2O3和P2O5的比例分别为1-3重量份，Na2O和BaO的比例共为4-8重量份。
根据本发明的一个实施例，上述步骤3)中加入的碳纤维为粉末状。
根据本发明的一个实施例，碳纤维的比例为8-15重量份。
根据本发明的一个实施例，上述步骤2)中的气体流为氮气流。
根据本发明的一个实施例，上述步骤2)中熔融加热在1480-1650℃的温度下进行，步骤4)中的模具的预热温度为450-650℃、退火温度为4500-650℃，步骤5)中的核化温度为550-750℃、晶化温度为750-980℃。
根据本发明的一个实施例，上述步骤2)中的熔融加热时间为3-6小时，步骤4)中的退火时间为4-8小时，步骤5)中的核化时间为2-3小时、晶化时间为4-8小时。
本发明通过上述方法，有效地实现了碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料的高效制备。
根据本发明的另一方面，还提供一种采用上述制备方法制备的碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料。
本发明制备的碳纤维-堇青石微晶玻璃材料具有气孔率远低于烧结法微晶玻璃、碳纤维与基体玻璃结合紧密、材料韧性大大提高等特点。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点在与附图结合对实施例进行的描述中将更加明显并容易理解，其中：
图1示出了根据本发明的碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料制备方法的流程示意图。
具体实施方式
应当理解，在示例性实施例中所示的本发明的实施例仅是说明性的。虽然在本发明中仅对少数实施例进行了详细描述，但本领域技术人员很容易领会在未实质脱离本发明主题的教导情况下，多种修改是可行的。相应地，所有这样的修改都应当被包括在本发明的范围内。在不脱离本发明的主旨的情况下，可以对以下示例性实施例的设计、操作条件和参数等做出其他的替换、修改、变化和删减。
本发明提供一种碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料的制备方法。参照图1，该制备方法包括以下步骤：
S100按比例混合
在本发明中，将MgO粉末、SiO2粉末、Al2O3粉末、助熔剂B2O3、晶核剂Cr2O3与P2O5、调整剂Na2O与BaO按比例混合均匀，得到制备堇青石微晶玻璃的主要原料。其中上述各组分的比例为MgO 18-26重量份、SiO2 48-60重量份、Al2O3 10-24重量份、助熔剂B2O3 2-6重量份、晶核剂Cr2O3 1-3重量份和P2O5 1-3重量份、调整剂Na2O和BaO共4-8重量份，粉末的粒径小于200目。
S200充分熔融
在本发明中，将S100中得到的制备堇青石微晶玻璃的主要原料在1480-1650℃熔融加热3-6小时，以使原料充分熔融均化、各化学成分分布均匀。
S300碳纤维喷入及搅拌
在本发明中，在熔融段末期，将8-15重量份的碳纤维粉末以氮气流喷入熔池内部并搅拌，其中氮气流的作用为：第一是制造非氧化性气氛，保护碳纤维粉末不被过度氧化；第二是促进碳纤维粉末在熔池内部的均匀分散；第三是促进熔融原料中原有的微小气泡的长大上浮。
S400浇铸及退火
在本发明中，将含有碳纤维的熔融原料浇铸进入经过450-650℃预热的模具中并退火温度退火4-8小时候后再随炉降温，得到含碳纤维的基础玻璃。
S500核化及晶化
在本发明中，将含碳纤维的基础玻璃在550-750℃下核化2-3小时，再升温至750-980℃晶化4-8小时，进而得到碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料。
根据本发明的碳纤维-堇青石微晶玻璃复相材料的制备方法，采用氮气喷吹实现了碳纤维在熔池中的均匀分布，得到的基础玻璃与碳纤维结合非常紧密，同时由于通过加入一定量的调整剂调整了基础玻璃的热膨胀系数，因此基础玻璃在加热核化晶化过程中与碳纤维的热膨胀系数相近，避免了由于热膨胀系数不一致而产生较大应力造成基础玻璃晶化过程中开裂的现象。
下面参照具体实施例，对本发明进行说明。
实施例一
参照图1，在步骤S100中，将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重量份的助熔剂B2O3、分别为2重量份的晶核剂Cr2O3和P2O5以及共为6重量份的调整剂Na2O和BaO混合均匀，得到制备堇青石微晶玻璃的主要原料。随后在步骤S200中，将上述原料在1560℃下熔融4个小时，以保证原料充分熔融。接着在步骤S200的熔融阶段末期，按照步骤S300所示，将9重量份的粉末状碳纤维通过氮气流喷入熔池内部并进行充分搅拌，使碳纤维在熔融原料中均匀分布从而得到含有均匀分布的碳纤维的熔融原料。随后在步骤S400，将步骤S300得到的含碳纤维的熔融原料浇注进入经590℃充分预热的模具之中，并在590℃的温度下退火3小时，得到含碳纤维的基础玻璃。随后在步骤S500中，将含碳纤维的基础玻璃在640℃的温度下核化2小时，再在870℃的温度下晶化4小时得到碳纤维-堇青石微晶玻璃复合材料。
实施例二
参照图1，在步骤S100中，将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重量份的助熔剂B2O3、分别为2重量份和1重量份的晶核剂Cr2O3和P2O5以及共为5重量份的调整剂Na2O和BaO混合均匀，得到制备堇青石微晶玻璃的主要原料。随后在步骤S200中，将上述原料在1550℃下熔融4个小时，以保证原料充分熔融。接着在步骤S200的熔融阶段末期，按照步骤S300所示，将15重量份的粉末状碳纤维通过氮气流喷入熔池内部并进行充分搅拌，使碳纤维在熔融原料中均匀分布从而得到含有均匀分布的碳纤维的熔融原料。随后在步骤S400，将步骤S300得到的含碳纤维的熔融原料浇注进入经590℃充分预热的模具之中，并在590℃的温度下退火3小时，得到含碳纤维的基础玻璃。随后在步骤S500中，将含碳纤维的基础玻璃在650℃的温度下核化2小时，再在880℃的温度下晶化3小时得到碳纤维-堇青石微晶玻璃复合材料。
实施例三
参照图1，在步骤S100中，将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重量份的助熔剂B2O3、分别为2重量份和3重量份的晶核剂Cr2O3和P2O5以及共为4重量份的调整剂Na2O和BaO混合均匀，得到制备堇青石微晶玻璃的主要原料。随后在步骤S200中，将上述原料在1500℃下熔融6个小时，以保证原料充分熔融。接着在步骤S200的熔融阶段末期，按照步骤S300所示，将8重量份的粉末状碳纤维通过氮气流喷入熔池内部并进行充分搅拌，使碳纤维在熔融原料中均匀分布从而得到含有均匀分布的碳纤维的熔融原料。随后在步骤S400，将步骤S300得到的含碳纤维的熔融原料浇注进入经600℃充分预热的模具之中，并在600℃的温度下退火3小时，得到含碳纤维的基础玻璃。随后在步骤S500中，将含碳纤维的基础玻璃在600℃的温度下核化3小时，再在900℃的温度下晶化6小时得到碳纤维-堇青石微晶玻璃复合材料。
实施例四
参照图1，在步骤S100中，将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重量份的助熔剂B2O3、分别为1重量份和2重量份的晶核剂Cr2O3和P2O5以及共为8重量份的调整剂Na2O和BaO混合均匀，得到制备堇青石微晶玻璃的主要原料。随后在步骤S200中，将上述原料在1600℃下熔融3个小时，以保证原料充分熔融。接着在步骤S200的熔融阶段末期，按照步骤S300所示，将10重量份的粉末状碳纤维通过氮气流喷入熔池内部并进行充分搅拌，使碳纤维在熔融原料中均匀分布从而得到含有均匀分布的碳纤维的熔融原料。随后在步骤S400，将步骤S300得到的含碳纤维的熔融原料浇注进入经650℃充分预热的模具之中，并在650℃的温度下退火6小时，得到含碳纤维的基础玻璃。随后在步骤S500中，将含碳纤维的基础玻璃在750℃的温度下核化3小时，再在850℃的温度下晶化5小时得到碳纤维-堇青石微晶玻璃复合材料。
实施例五
参照图1，在步骤S100中，将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重量份的助熔剂B2O3、分别为2重量份的晶核剂Cr2O3和P2O5以及共为6重量份的调整剂Na2O和BaO混合均匀，得到制备堇青石微晶玻璃的主要原料。随后在步骤S200中，将上述原料在1650℃下熔融3个小时，以保证原料充分熔融。接着在步骤S200的熔融阶段末期，按照步骤S300所示，将12重量份的粉末状碳纤维通过氮气流喷入熔池内部并进行充分搅拌，使碳纤维在熔融原料中均匀分布从而得到含有均匀分布的碳纤维的熔融原料。随后在步骤S400，将步骤S300得到的含碳纤维的熔融原料浇注进入经620℃充分预热的模具之中，并在620℃的温度下退火5小时，得到含碳纤维的基础玻璃。随后在步骤S500中，将含碳纤维的基础玻璃在720℃的温度下核化3小时，再在920℃的温度下晶化6小时得到碳纤维-堇青石微晶玻璃复合材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。