CN1049416C - 纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺 - Google Patents
纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1049416C CN1049416C CN93117961A CN93117961A CN1049416C CN 1049416 C CN1049416 C CN 1049416C CN 93117961 A CN93117961 A CN 93117961A CN 93117961 A CN93117961 A CN 93117961A CN 1049416 C CN1049416 C CN 1049416C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- glass
- manufacturing process
- sol
- fiber
- based composites
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000011521 glass Substances 0.000 title claims abstract description 58
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 21
- 239000003595 mist Substances 0.000 claims description 16
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 150000004703 alkoxides Chemical group 0.000 claims description 11
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 11
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 10
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 8
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims description 6
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000000280 densification Methods 0.000 claims description 5
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 claims description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 4
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims description 4
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 3
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000006557 surface reaction Methods 0.000 claims description 3
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 2
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 claims description 2
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 claims 1
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 19
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 abstract description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 11
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 10
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 6
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 4
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N Magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 3
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 3
- 229960001866 silicon dioxide Drugs 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 239000012745 toughening agent Substances 0.000 description 3
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006424 Flood reaction Methods 0.000 description 2
- 229910000502 Li-aluminosilicate Inorganic materials 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000006837 decompression Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N divanadium pentaoxide Chemical compound O=[V](=O)O[V](=O)=O GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001879 gelation Methods 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N lithium oxide Chemical compound [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001947 lithium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- AZVCGYPLLBEUNV-UHFFFAOYSA-N lithium;ethanolate Chemical compound [Li+].CC[O-] AZVCGYPLLBEUNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- YIXJRHPUWRPCBB-UHFFFAOYSA-N magnesium nitrate Chemical compound [Mg+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O YIXJRHPUWRPCBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006068 polycondensation reaction Methods 0.000 description 2
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005297 pyrex Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 2
- BNGXYYYYKUGPPF-UHFFFAOYSA-M (3-methylphenyl)methyl-triphenylphosphanium;chloride Chemical compound [Cl-].CC1=CC=CC(C[P+](C=2C=CC=CC=2)(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC=CC=2)=C1 BNGXYYYYKUGPPF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BMTAFVWTTFSTOG-UHFFFAOYSA-N Butylate Chemical group CCSC(=O)N(CC(C)C)CC(C)C BMTAFVWTTFSTOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010013786 Dry skin Diseases 0.000 description 1
- 239000001856 Ethyl cellulose Substances 0.000 description 1
- ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N Ethyl cellulose Chemical compound CCOCC1OC(OC)C(OCC)C(OCC)C1OC1C(O)C(O)C(OC)C(CO)O1 ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 1
- 235000006708 antioxidants Nutrition 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- HPNSNYBUADCFDR-UHFFFAOYSA-N chromafenozide Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C(=O)N(NC(=O)C=2C(=C3CCCOC3=CC=2)C)C(C)(C)C)=C1 HPNSNYBUADCFDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001684 chronic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004939 coking Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 229960000935 dehydrated alcohol Drugs 0.000 description 1
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 229960004756 ethanol Drugs 0.000 description 1
- PNCDAXYMWHXGON-UHFFFAOYSA-N ethanol;niobium Chemical compound [Nb].CCO.CCO.CCO.CCO.CCO PNCDAXYMWHXGON-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JVOQKOIQWNPOMI-UHFFFAOYSA-N ethanol;tantalum Chemical compound [Ta].CCO JVOQKOIQWNPOMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001249 ethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 235000019325 ethyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 229910017053 inorganic salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- XIXADJRWDQXREU-UHFFFAOYSA-M lithium acetate Chemical compound [Li+].CC([O-])=O XIXADJRWDQXREU-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- -1 lithium silicates Chemical class 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- XDKQUSKHRIUJEO-UHFFFAOYSA-N magnesium;ethanolate Chemical compound [Mg+2].CC[O-].CC[O-] XDKQUSKHRIUJEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MLSKXPOBNQFGHW-UHFFFAOYSA-N methoxy(dioxido)borane Chemical compound COB([O-])[O-] MLSKXPOBNQFGHW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000001272 pressureless sintering Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000011226 reinforced ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000006017 silicate glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C14/00—Glass compositions containing a non-glass component, e.g. compositions containing fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like, dispersed in a glass matrix
- C03C14/002—Glass compositions containing a non-glass component, e.g. compositions containing fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like, dispersed in a glass matrix the non-glass component being in the form of fibres, filaments, yarns, felts or woven material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C2214/00—Nature of the non-vitreous component
- C03C2214/20—Glass-ceramics matrix
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C2214/00—Nature of the non-vitreous component
- C03C2214/32—Nature of the non-vitreous component comprising a sol-gel process
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
本发明涉及一种制备纤维增强纤维、玻璃-陶瓷基复合材料的泥浆法结衙溶胶-凝胶法新工艺。其特征在于溶胶-凝胶法制得基体玻璃微粉,并配制起粘结剂作用的溶胶,玻璃微粉分散悬浮于溶胶中,纤维浸渍该悬浮体排丝在鼓上,借助热压烧结使复合材料致密化,选择合适的溶胶氧化物组成,可调整纤维一基体界面组成,控制界面反应、改善界而结构,获得了高温力学性能良好的纤维增强玻璃-陶瓷基复合材料。
Description
本发明涉及一种制造碳或碳化硅纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的泥浆法结合溶胶-凝胶法的工艺。
高技术的发展,对材料提出了更高的要求,即传统单一均质材料难以满足现代技术发展的需要。比如,陶瓷材料具有耐高温、高硬度、抗氧化及良好的耐腐蚀性,但其最大的弱点是脆性和可靠性差,使其应用范围受到很大的限制。为此,陶瓷的增韧成为陶瓷科学家长期关注的问题。陶瓷增韧方法主要有二:一是利用分散相ZrO2从四方相到单斜相相变作用来增加陶瓷的韧性;另一个方法是纤维增韧。由于当使用温度超过1170℃时,四方相ZrO2是稳定态,应力诱导相变增韧失去作用。因此,用纤维与陶瓷复合被认为是提高韧性的极好方法,而纤维增强玻璃或玻璃-陶瓷是目前获得最成功的纤维增强陶瓷复合材料之一。选用玻璃-陶瓷做复合材料基体,就是期望在材料的致密化阶段,基体处于玻璃态,即基体具有良好的流变性。复合材料在较低粘度下复合,然后使其在相对低的温度下析晶,在此阶段可以控制所需陶瓷化程度,实现高温增韧补强的目的。玻璃-陶瓷基复合材料一般用于需要中等或高等温度状态(即600°-1600℃)的零部件,如发动机和内燃机部件,高温气体热交换器、高温隔热材料、雷达防护罩以及装甲车、火箭、导弹和航空航天飞机的构件等。为了制备此类材料,许多材料科学家进行了许多研究:如D.C.phillips等人在″The MechanicalProperties of Carbon Fibre Reinforced Pyrex″(J.MaterialSciences,1972年,第7期1454-1464页)中提出了碳纤维增强派来克斯玻璃的制备方法和获得了热力学性能良好的复合材料;S.R.Levitt在″High Strength Graphite Fibre-LAS″(J·Materal Sciences,1973年第8期,793-806页)中提出了组成为Li2O·Al2O3·nSiO2的陶瓷基体和单向纤维增强复合材料;K.M.Prewo和J.J.Brennan在″Silicon Carbide Fibre Reinforced Glass-Ceramic Matrix Composites Exhibiting High Strengthand提出了组成为Li2·Al2O3·4SiO2的陶瓷基体和在7MPa压力及1300°-1600℃温度条件下制造的纤维增强复合材料;V.Gunay等人在″Carbon Fibre Reinforced Glass Matrix Compositesby Sol-Gel Processing″(Brit.Ceram.Proceed,1985年第36期,229页)中提出了使用溶胶-凝胶浸渍纤维工艺,并制得纤维-凝胶予制块,热压烧结制备碳纤维增强硼硅酸盐玻璃基复合材料;在法国专利(No:2521982)中,介绍了使用氧化铝纤维和氧化铝溶胶制造氧化铝纤维-氧化铝陶瓷复合材料的方法,同时提出了一项重要的残余孔隙率问题等等。所有这些制造玻璃、玻璃-陶瓷、陶瓷基复合材料的方法,都涉及采用两个工艺技术:即泥浆法和溶胶-凝胶技术。在泥浆技术中,工艺过程相对简单,基体材料玻璃粉与粘结剂溶液混合,固相分布于液相中。该粘结剂溶液可以是醇与石蜡或乙基纤维素等的混合溶液。纤维通过泥浆悬浮体拉出,缠绕在鼓上,纤维表面复盖上基体粉,通过切割,叠层制得予制块,除胶后借助热压烧结使其密实化。该方法的缺点在于复合材料会被粘结剂的有机残余物污染,而且必须有烧除粘结剂的附加工艺。如果单纯用醇做粘结剂,则基体粉在纤维表面粘结不牢,导致予制块制备过程中材料损失;在溶胶-凝胶技术中,纤维通过溶胶拉出,缠绕在鼓上或纤维在干燥状态编织,接着,用溶胶反复浸渍。该方法的缺点是,如果借助无压烧结予制块获得无孔隙,无裂纹的复合材料,那么予制块干燥工艺时间很长并相当复杂,它涉及复杂的溶液化学。该技术存在的另一个问题在于溶胶和凝胶会产生大的体积收缩,并伴随着溶质水解,缩聚反应和醇的挥发。
本发明的目的在于提出一种利用泥浆法结合溶胶-凝胶法,用以制备纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料,从而解决了现有技术中存在的问题。
本发明的主要技术方案在于采用下列步骤:
1.溶胶-凝胶法或熔融一水淬法制备基体玻璃微粉;
2.配制粘结剂溶液,调整粘度;
3.基本玻璃微粉与粘结剂溶胶球磨混合;
4.纤维浸渍于玻璃粉-粘结剂溶胶悬浮体系中排丝在鼓上;
5.在100°-150℃温度下使浸润纤维材料干燥3-5小时;
6.切割浸润纤维材料,叠层制得予制块;
7.在400°-600℃温度和处于氮气(N2)条件下,加热予制块20-30分钟;
8.在温度1000°-1350℃和压力10-35MPa,氮气(N2)或氩气(Ar)条件下热压烧结致密,脱压并降温至室温。
实现本发明的具体工艺步骤在于其基体可以采用二氧化硅玻璃、硼硅酸盐玻璃、锂铝硅酸盐(LAS)玻璃、镁铝硅酸盐(MAS)玻璃或钡长石(BAS)玻璃,制造这些基体玻璃微粉方法可以采用溶胶-凝胶技术。玻璃组成中各氧化物前驱物可选择金属醇盐或无机盐(见表),溶剂是无水乙醇或正丙醇。
表1氧化物前驱物
前 驱 物 | 氧化物 |
正硅酸乙酯(TEOS,Si(O2H5)4)硼酸甲酯(TMB,B(OCH3)3),硼酸(H3BO3)仲丁醇铝(Al(OC4H9)3),硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O)乙醇锂(LiOC2H5),乙酸锂(CH3COOLi·2H2O)乙醇镁(Mg(OC2H5)2),硝酸镁(Mg(NO3)2·6H2O)乙醇钡(Ba(OC2H5)2),乙醇铌(Nb(OC2H5)5),乙醇钽(Ta(OC2H5)5), | SiO2B2O3Al2O3Li2OMgOBaONb2O5Ta2O5 |
各氧化物前驱物按所需量和设定顺序依次溶于溶剂中,添加水([水]/[金属醇盐]摩尔比是4-20),并控制溶液的酸度PH值在2-5范围内,使各前驱物发生水解、缩聚反应,并相互作用,形成均匀的溶胶,在30~70℃温度下保温直至形成干凝胶粉末。在500~800℃温度下锻烧4~10小时,接着球磨,微粉颗粒尺寸小于1um。如果前驱物均以金属醇盐引入,就必须考虑各金属醇盐水解反应速率的差别。水解反应速率慢的金属醇盐首先加入并优先让其发生部分水解,同时加入少量硝酸做催化剂,提高其水解反应速率;水解反应速率快的金属醇盐稍后加入,并在其中加入稳定剂([金属醇盐]/[稳定剂]其摩尔比=1∶1),控制其水解反应速率,使之与水解反应速率慢的金属醇盐匹配,如此就能制得均匀的凝胶体。否则,水解反应速率快的首先水解,并可能产生沉淀,不能得到均匀的凝胶体。基体玻璃微粉也可以采用熔融-水淬法制备,微粉颗粒尺寸控制在10um以下。
起粘结剂作用的溶胶把基体玻璃粉与陶瓷纤维粘结在一起,溶胶覆盖在基体颗粒和纤维表面,因而其组成和性能对控制复合材料界面结构,复合材料的烧结性和抗氧化性等有重要的作用。溶胶组成根据设计要求而定,其目的在于控制复合材料界面结构,界面反应或改善复合材料的烧结特性等。溶胶组成可以是单组份氧化物或多组份氧化物,例如,该法制备碳化硅纤维增强锂铝硅酸盐玻璃-陶瓷复合材料,溶胶组成可以选择二氧化硅溶胶或与基体玻璃粉组成一致的锂硅酸盐溶胶;但为了改善复合材料的烧结特性,期望处于界面附近的玻璃软化点低一些,流变性好一些,则溶胶氧化物组成也可选择软化点低的硼硅酸盐玻璃系统;若期望控制复合材料界面反应,改善碳化硅纤维的抗氧化性,则可在溶胶组成中添加引入物,如氧化铌(N2O5)或氧化钽(Ta2O5)等。这些引入物的前驱动也可以是它们的醇盐或氯化物。溶胶制备工艺与溶胶一凝胶法制备基体玻璃微粉类同,溶胶使用粘度控制在0.1~1泊之间,通过改变溶液浓度,调整溶液PH值,控制保温温度和时间来调节。溶液应呈酸性,PH值=1~3,这有助于纤维浸渍排丝。如果PH值大于5,溶胶会不稳定,发生凝胶化。粘度的变化会影响到纤维在复合材料中的体积百分比。
基体玻璃微粉与溶胶球磨混合。体系的稳定性和悬浮性均较好,在浸渍纤维排丝过程中无须向体系通入压缩空气鼓泡,因为向悬浮体系中通入压缩空气导致溶剂醇挥发,体系粘度增加,无法控制纤维在复合材料中的体积百分数,因此克服了泥浆法在此方面所存在的困难。在悬浮体系中,基体玻璃微粉占30-40%,溶胶70-60%(重量比)。
制备这类复合材料,纤维应选择单向连续陶瓷纤维,例如碳(C)纤维、碳化硅(SiC)或氧化铝纤维等。纤维表面有一层保护胶,在浸渍排丝之前均须经过加热除胶处理。纤维在复合材料中的体积分数控制在20-50%范围内为最佳,控制办法是调整溶胶粘度、基体玻璃粉与溶胶比例或排丝速度。
制得的浸渍纤维预制块在100°-150℃温度干燥3-5小时,切裁叠层,置于石墨模具中。在石墨感应加热热压炉中在400-600℃温度减压加热处理0.5-1小时,接着通氮气或氩气,温度升至1000-1350℃,压力10-35MPa下热压烧结10-30分钟使复合材料致密化,并脱压,按规定降温曲线降温。在低于热压温度下陶瓷化处理,把残余玻璃相部分转化为陶瓷,制得了力学性能较好的材料。
用该工艺制备纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料,在基体玻璃粉或溶胶中无须添加象二氧化钛(TiO2)、二氧化锆(ZrO2)、五氧化二磷(P2O5)等一类的晶核剂,就可控制玻璃相的陶瓷化程度。但可以在溶胶中加入与基体反应或与基体不反应的晶须或颗粒形式的填料作为增强剂。如碳化硅晶须、氮化硅晶须、氧化铝晶须等。这些增强剂可在基体玻璃微粉与溶胶球磨混合步骤中加入,通过控制工艺参数,可以制得这些材料的干凝胶粉末或凝胶块体。
本发明的特点是:
1.基体粉在纤维表面覆盖均匀,为均匀复合创造了条件;
2.具有残余孔隙率小,一般在≤5%,最大的不超出10%。体积收缩小,干燥时间短,无需附加脱胶工艺以及不存有机残余物的污染等特点。
3.在基体玻璃中,无需添加晶核剂就可以控制基体玻璃的陶瓷化程度;
4.容易按予定设计要求调整纤维-基体界面组成,并对界面结构,界面反应及反应程度进行控制,改善复合材料力学性能和抗氧化性能。
本发明的具体实施例在于:
实施例1
溶胶-凝胶法的制备取氧化物组成重量百分比(Wt%)为二氧化硅72.6、氧化铝21.2、氧化锂2.1、氧化镁4.1的玻璃微粉,首先制备溶液(1),252.0克正硅酸乙酯溶于300毫升无水乙醇中,加22.0毫升水和2.0毫升硝酸,室温搅拌3小时,其次,制备溶液(2),取:102.4克仲丁醇铝,7.3克乙醇锂,11.6克乙醇溶于400毫升无水乙醇中,搅拌1小时,82℃回流2小时,将溶液(1)缓慢加入溶液(2)中,同时强力搅拌3小时,再逐滴加入110毫升水,凝胶化在室温或50℃烘箱中发生,凝胶在50℃干燥,接着在450℃锻烧10至20小时除去残余的水和有机物,球磨后得颗粒尺寸小于1um的玻璃微粉。
用上述类似方法制备起粘结剂作用的溶胶,取水加入总量88毫升,溶胶氧化物组成与基体玻璃微粉相同,溶胶使用粘度控制在0.1~0.5泊之间。将70克基体玻璃微粉与130.0克溶胶球磨混合,碳化硅纤维浸渍该悬浮体,制得纤维一基体预制块,在120℃温度下干燥3.5小时和在450℃温度下减压加热处理40分钟,再在1320℃,12.5MPa压力下热压烧结15分钟,然后在冷却期间脱压。其纤维的体积分数38%,残余孔隙率5%。
该材料力学性能用三点弯曲法测试,可得下列参数:
室温断裂强度σR=750MPa;
实施例2
按实例1同样方法制备复合材料,增强剂选择碳纤维,其它不变,碳纤维体积分数38%,残余孔隙率5%。
三点弯曲试验得出的力学性能是
室温断裂强度σR=680MPa;
室温断裂韧性
实施例3
按实施例1类似方法制备复合材料,增强剂选择碳纤维,基体玻璃微粉组成不变,溶胶氧化物组成(Wt%)是二氧化硅61.7,氧化铝17.5、氧化锂10.3、氧化硼10.5。氧化物前驱物选择它们的醇盐,采用与实施例1相同的工艺,热压烧结参数为温度1280℃,压力12MPa,保温15分钟,在冷却期间脱压,它的碳纤维体积分数35%,残余孔隙率4%。
三点弯曲试验得出的力学性能是:
室温断裂强度σR=780MPa;
室温断裂韧性
显然,本发明还有其它的实施方案,同样也可以达到本发明的目的。
Claims (12)
1.一种纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于采用氧化物溶胶做粘结剂以及其制备工艺包含有如下步骤:
a)溶胶-凝胶法制备基体玻璃微粉
b)溶胶-凝胶法制备起粘结剂作用的氧化物溶胶;
c)基体玻璃微粉与粘结剂溶胶球磨混合;
d)纤维浸渍于玻璃粉-粘结剂溶胶悬浮体系中排丝在鼓
上;
e)在100-150℃温度范围内,将浸润的纤维材料干燥3-5
小时;
f)切割浸润纤维材料,叠层制得予制块;
g)在400-600℃温度范围内,将予制块置氮气中加热20-
30分钟;
h)在温度为1000-1350℃,压力10-35Mpa条件下,将予
制块置氮气或氩气气体中热压烧结致密,然后,脱压
并降温至室温。
2.按照权利要求1所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的基体玻璃,是指二氧化硅玻璃、硼硅酸盐玻璃、锂铝硅酸盐玻璃、镁铝硅酸盐玻璃或钡长石玻璃。
3.按照权利要求1所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的基体玻璃微粉,其颗粒尺寸应控制在1μm以下。
4.按照权利要求1所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的溶胶的粘度应控制在0.1-1泊范围。
5.按照权利要求1所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的溶胶,应呈酸性,其pH值在1-3范围。
6.按照权利要求1所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的纤维增强材料是指碳、碳化硅或氧化铝纤维,并且它在复合材料中所占的体积百分数为20-50范围。
7.按照权利要求1所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的溶胶,可以在其中加入晶须,如碳化硅晶须、氮化硅晶须或氧化铝晶须。
8.按照权利要求1所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的溶胶,其组成可以是单组份氧化物或多组份氧化物。
9.按照权利要求8所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的氧化物溶胶可以在其中添加控制界面结构和界面反应的引入物,如氧化铌或氧化钽。
10.按照权利要求9所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的引入物,其前驱物可以是醇盐或氯化物。
11.按照权利要求1所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的复合材料,其孔隙率控制在≤5%。
12.按照权利要求1所说的纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺,其特征在于所说的基体玻璃微粉也可以采用溶融一水淬法制备。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN93117961A CN1049416C (zh) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | 纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN93117961A CN1049416C (zh) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | 纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN1101027A CN1101027A (zh) | 1995-04-05 |
CN1049416C true CN1049416C (zh) | 2000-02-16 |
Family
ID=4992247
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN93117961A Expired - Fee Related CN1049416C (zh) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | 纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN1049416C (zh) |
Families Citing this family (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100386241C (zh) * | 2004-03-08 | 2008-05-07 | 李世鹏 | 以复合材料补强组接架体的制造方法及其成品 |
CN105621896B (zh) * | 2015-12-30 | 2017-10-31 | 常州聚和新材料股份有限公司 | 用于太阳能电池背面电极浆料的玻璃粉及其制备方法 |
CN106746695A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-05-31 | 江苏省冶金设计院有限公司 | 碳化硅纤维增韧钡长石微晶玻璃复相材料及其制备方法 |
CN106854041A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-06-16 | 江苏省冶金设计院有限公司 | 一种碳纤维‑硅灰石微晶玻璃复相材料及其制备方法 |
CN106854040A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-06-16 | 江苏省冶金设计院有限公司 | 碳化硅纤维增韧硅灰石微晶玻璃复相材料及其制备方法 |
CN106630645A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-05-10 | 江苏省冶金设计院有限公司 | 碳化硅纤维增韧透辉石微晶玻璃复相材料及其制备方法 |
CN106630639A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-05-10 | 江苏省冶金设计院有限公司 | 碳纤维钡长石微晶玻璃复相材料及其制备方法 |
CN106830694A (zh) * | 2017-02-27 | 2017-06-13 | 江苏省冶金设计院有限公司 | 一种氮化铝纤维—透辉石微晶玻璃复相材料的制备方法 |
CN106966601A (zh) * | 2017-02-27 | 2017-07-21 | 江苏省冶金设计院有限公司 | 氮化铝纤维硅灰石微晶玻璃复相材料及其制备方法 |
CN107056077A (zh) * | 2017-02-27 | 2017-08-18 | 江苏省冶金设计院有限公司 | 氮化铝纤维钡长石微晶玻璃复相材料及其制备方法 |
CN108440006A (zh) * | 2018-04-13 | 2018-08-24 | 山东理工大学 | 过渡金属元素调控碳纤维增强陶瓷基复合材料界面的方法 |
CN109160725B (zh) * | 2018-09-25 | 2021-09-28 | 东南大学 | 玻璃基体材料、纤维增强的该玻璃基体材料及其制备方法 |
CN109694256B (zh) * | 2019-01-23 | 2021-03-02 | 中山大学 | 用纤维辅助成形制造超薄陶瓷的方法及其制成品和应用 |
CN115448732B (zh) * | 2022-09-05 | 2023-05-12 | 衡阳凯新特种材料科技有限公司 | 一种氮化硅纤维增强透波陶瓷材料及其制备方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN85108524A (zh) * | 1985-04-15 | 1986-10-15 | 康宁玻璃厂 | 增强的碱土硅铝酸盐玻璃 |
CN1064713A (zh) * | 1992-04-30 | 1992-09-23 | 清华大学 | 高纯莫来石晶须的制备方法 |
CN1071399A (zh) * | 1991-10-11 | 1993-04-28 | 北京航空航天大学 | 纤维增强玻璃轧制成型工艺方法 |
-
1993
- 1993-09-29 CN CN93117961A patent/CN1049416C/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN85108524A (zh) * | 1985-04-15 | 1986-10-15 | 康宁玻璃厂 | 增强的碱土硅铝酸盐玻璃 |
CN1071399A (zh) * | 1991-10-11 | 1993-04-28 | 北京航空航天大学 | 纤维增强玻璃轧制成型工艺方法 |
CN1064713A (zh) * | 1992-04-30 | 1992-09-23 | 清华大学 | 高纯莫来石晶须的制备方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN1101027A (zh) | 1995-04-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN1049416C (zh) | 纤维增强玻璃、玻璃-陶瓷基复合材料的制造工艺 | |
Zelinski et al. | Gel technology in ceramics | |
CN101792299B (zh) | 耐高温氧化铝-氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备方法 | |
CA1212969A (en) | Carbon-containing monolithic glasses prepared by a sol-gel process | |
DE69502858T2 (de) | Hochtemperaturüberzug auf keramischem Substrat und Verfahren zu seiner Herstellung ohne Brand | |
JPH0377138B2 (zh) | ||
JPH01131011A (ja) | 黒鉛複合体およびその製法 | |
Khomenko et al. | Quartz ceramics modified by nanodispersed silica additive | |
US5132253A (en) | Sol-gel method for making ceramic materials | |
CA2043757C (en) | Glass-ceramic li-al-si-o composition and process for its production | |
CN108774072A (zh) | 一种刚性隔热瓦及其制备方法 | |
KR101202198B1 (ko) | Grin 렌즈의 제조 방법 | |
CN116535886B (zh) | 耐高温隔热保温涂料及其制备方法 | |
CN114085089A (zh) | 一种废弃连续碳化硅纤维增强硅酸盐陶瓷的制备方法 | |
Fitzer et al. | Fibre reinforced composites via the sol/gel route | |
CN110550965B (zh) | 一种莫来石晶须低温生长增韧型磷酸铝基高温胶制备方法 | |
US4844848A (en) | Method for preparing Al2 O3 powder and products | |
CN1669979A (zh) | 刚玉-莫来石复合陶瓷用硅铝凝胶结合剂的制备方法 | |
CN114309583A (zh) | 一种梯度莫来石搭接的梯度陶瓷涂层及其制备方法 | |
Wallace et al. | Metal organic‐derived 20L gel monoliths | |
RU2815703C1 (ru) | Способ получения кварцевой керамики | |
KR100941085B1 (ko) | Grin 렌즈 제조 방법 및 grin 렌즈 | |
CN117964364B (zh) | 一种高熵稀土硅酸盐复相陶瓷及其制备方法 | |
EP0696556A1 (en) | Fiber-reinforced composite with sheet silicate interlayer | |
JPS5988917A (ja) | 耐火性アルミナ繊維 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |