一種高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)釔鋁石榴石陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)釔鋁石榴石陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，屬于陶瓷生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷材料的致命弱點(diǎn)是脆性，在外力作用下，在材料表面或內(nèi)部微裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展形成表面能以消耗能量，因而裂紋的擴(kuò)展速度極其迅速，往往在瞬間就使陶瓷材料遭到災(zāi)難性的破壞。根據(jù)復(fù)合材料理論，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到遇到纖維時(shí)，通過(guò)纖維與基體界面的脫離來(lái)吸收能量，緩和應(yīng)力集中；部分纖維在張應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂而從基體中拔出時(shí)，也將吸收較大的能量。因此，纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是一種有效解決陶瓷材料脆性的途徑。高彈碳纖維具有強(qiáng)度高，彈性模量高，密度小、比強(qiáng)度高，能耐超高、低溫，耐酸堿腐蝕性好，熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大，可以耐急冷急熱不易炸裂的優(yōu)點(diǎn)，但是高彈碳纖維的缺點(diǎn)是在強(qiáng)酸作用下易發(fā)生氧化，與金屬?gòu)?fù)合時(shí)會(huì)發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，所以本發(fā)明采用凝膠-浸漬法在碳纖維表面進(jìn)行抗氧化處理，大大提高了高彈碳纖維的性能。碳纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料具有明顯的耐高低溫性能、耐酸性、耐摩擦、耐磨損的優(yōu)點(diǎn)，生物相容性好，適用性廣，作為陶瓷基體的增強(qiáng)相可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，又能夠降低成本，擁有其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。
[0003]釔鋁石榴石陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕、高絕緣、高強(qiáng)度等陶瓷特性，同時(shí)具有類(lèi)似玻璃的透光性能，是用于激光發(fā)射器及熱輻射轉(zhuǎn)換器的耐高溫化學(xué)腐蝕結(jié)構(gòu)材料、核輻射記錄用的透明材料及照明燈罩的理想材料。正因?yàn)榫哂衅渌沾蔁o(wú)法比擬的功能與作用，釔鋁石榴石陶瓷受到廣泛的關(guān)注和研宄，但是其制備周期長(zhǎng)、成本高、工藝復(fù)雜等原因制約了其應(yīng)用的廣泛性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)釔鋁石榴石陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，制作工藝簡(jiǎn)單，降低了燒結(jié)溫度，提高了燒結(jié)性能，并且工期短，成品率高。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明通過(guò)以下方案實(shí)施:
一種高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)釔鋁石榴石陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，由下列重量份的原料制成:釔鋁石榴石30-50、氧化鈧6-8、改性高彈碳纖維10-13、丁烯酸甲酯5_8、過(guò)硫酸銨0.03-0.06、交聯(lián)劑TAC0.2-0.4、高嶺土 10-15、四聚偏酸鉀1-3、氧化鎂20-30、瓜爾豆膠2-3、乙醇20-30、去尚子水40-60 ；
所述改性高強(qiáng)碳纖維的制備方法是:將高強(qiáng)碳纖維在硝酸中浸泡1-2小時(shí)，取出后用蒸餾水沖洗2-3次，烘干備用；將10-15重量份的鈦酸四丁酯和150-180重量份的乙醇混合加到帶有磁力攪拌器的燒瓶中，將2-3重量份的去離子水、0.2-0.4重量份的鹽酸和2-5重量份的乙醇充分混合，緩慢滴加到燒瓶中，再加入2-4重量份的氧化銀粉末，攪拌30-40分鐘，將備用的高強(qiáng)碳纖維加到凝膠中在真空度為0.09-0.1MPa下浸漬1_2小時(shí)，取出后于70-80° C下烘干，如此反復(fù)操作2-3次，最后在高純氬氣的保護(hù)下于500-600° C下高溫反應(yīng)1-2小時(shí)即可。
[0006]本發(fā)明所述一種高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)釔鋁石榴石陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，由以下具體步驟制成:
(1)將釔鋁石榴石、高嶺土和氧化鎂加到球磨機(jī)中，以氧化鋁求作為球磨介質(zhì)，料球比為1:2，再將丁烯酸甲酯、過(guò)硫酸銨加到乙醇和去離子水的混合溶液中，溶解后加入瓜爾豆膠、四聚偏酸鉀和改性高彈碳纖維攪拌均勻后加到球磨機(jī)中，球磨20-40分鐘；
(2)將球磨得到的漿料抽真空，抽2-5分鐘后向漿料中加入交聯(lián)劑TAC繼續(xù)攪拌均勻，再將漿料注入到疊層玻璃模具中后在真空干燥箱內(nèi)于60-80° C下干燥1-2小時(shí)；
(3)將步驟(2)中的濕坯脫模在室溫下自然干燥1-2天，然后在95-100°C溫度下，濕度在60-70%的條件下干燥1-2天，將剩余的成分裝入等離子噴涂送粉裝置在坯體表面噴涂均勻；
(4)將步驟(3)的坯體在室溫下以3-5°C/min的速率升溫至200° C，再以1_2° C/min的速率升溫至600° C，恒溫保持1_2小時(shí)后放置于真空燒結(jié)爐中，在1400-1600° C的溫度下燒結(jié)5-8小時(shí)，即可得到。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明采用改性高強(qiáng)碳纖維作為增強(qiáng)相，具有優(yōu)良的抗氧化、增強(qiáng)陶瓷韌性、強(qiáng)度、耐高低溫、導(dǎo)熱性好和膨脹系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)，并且制作工藝簡(jiǎn)單，降低了燒結(jié)溫度，提高了燒結(jié)性能，并且工期短，成品率高。
[0008]具體實(shí)施方案
下面通過(guò)具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0009]一種高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)釔鋁石榴石陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，由下列重量份(公斤)的原料制成:釔鋁石榴石50、氧化鈧6、改性高彈碳纖維11、丁烯酸甲酯7、過(guò)硫酸銨0.04、交聯(lián)劑TAC0.3、高嶺土 14、四聚偏酸鉀2、氧化鎂26、瓜爾豆膠3、乙醇30、去離子水60 ；
所述改性高強(qiáng)碳纖維的制備方法是:將高強(qiáng)碳纖維在硝酸中浸泡2小時(shí)，取出后用蒸餾水沖洗3次，烘干備用；將15重量份的鈦酸四丁酯和180重量份的乙醇混合加到帶有磁力攪拌器的燒瓶中，將3重量份的去離子水、0.4重量份的鹽酸和5重量份的乙醇充分混合，緩慢滴加到燒瓶中，再加入4重量份的氧化銀粉末，攪拌40分鐘，將備用的高強(qiáng)碳纖維加到凝膠中在真空度為0.09MPa下浸漬I小時(shí)，取出后于80° C下烘干，如此反復(fù)操作3次，最后在高純氬氣的保護(hù)下于600° C下高溫反應(yīng)2小時(shí)即可。
[0010]本發(fā)明所述一種高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)釔鋁石榴石陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，由以下具體步驟制成:
(1)將釔鋁石榴石、高嶺土和氧化鎂加到球磨機(jī)中，以氧化鋁求作為球磨介質(zhì)，料球比為1:2，再將丁烯酸甲酯、過(guò)硫酸銨加到乙醇和去離子水的混合溶液中，溶解后加入瓜爾豆膠、四聚偏酸鉀和改性高彈碳纖維攪拌均勻后加到球磨機(jī)中，球磨40分鐘；
(2)將球磨得到的漿料抽真空，抽4分鐘后向漿料中加入交聯(lián)劑TAC繼續(xù)攪拌均勻，再將漿料注入到疊層玻璃模具中后在真空干燥箱內(nèi)于80° C下干燥2小時(shí)；
(3)將步驟(2)中的濕坯脫模在室溫下自然干燥2天，然后在100°C溫度下，濕度在70%的條件下干燥2天，將剩余的成分裝入等離子噴涂送粉裝置在坯體表面噴涂均勻；
(4)將步驟(3)的坯體在室溫下以4° C/min的速率升溫至200° C，再以1° C/min的速率升溫至600° C，恒溫保持2小時(shí)后放置于真空燒結(jié)爐中，在1400° C的溫度下燒結(jié)7小時(shí)，即可得到。
[0011]本實(shí)施例中陶瓷的性能指標(biāo)結(jié)果如下:
維氏硬度(GPa):彡4.5 ;
透光率(％):彡68 ;
氣孔率(％):彡53。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)釔鋁石榴石陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成:釔鋁石榴石30-50、氧化鈧6-8、改性高彈碳纖維10-13、丁烯酸甲酯5-8、過(guò)硫酸銨0.03-0.06、交聯(lián)劑TAC0.2-0.4、高嶺土 10-15、四聚偏酸鉀1_3、氧化鎂20-30、瓜爾豆膠2-3、乙醇20-30、去離子水40-60 ； 所述改性高強(qiáng)碳纖維的制備方法是:將高強(qiáng)碳纖維在硝酸中浸泡1-2小時(shí)，取出后用蒸餾水沖洗2-3次，烘干備用；將10-15重量份的鈦酸四丁酯和150-180重量份的乙醇混合加到帶有磁力攪拌器的燒瓶中，將2-3重量份的去離子水、0.2-0.4重量份的鹽酸和2-5重量份的乙醇充分混合，緩慢滴加到燒瓶中，再加入2-4重量份的氧化銀粉末，攪拌30-40分鐘，將備用的高強(qiáng)碳纖維加到凝膠中在真空度為0.09-0.1MPa下浸漬1_2小時(shí)，取出后于70-80° C下烘干，如此反復(fù)操作2-3次，最后在高純氬氣的保護(hù)下于500-600° C下高溫反應(yīng)1-2小時(shí)即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述一種高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)釔鋁石榴石陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于，由以下具體步驟制成: (1)將釔鋁石榴石、高嶺土和氧化鎂加到球磨機(jī)中，以氧化鋁求作為球磨介質(zhì)，料球比為1:2，再將丁烯酸甲酯、過(guò)硫酸銨加到乙醇和去離子水的混合溶液中，溶解后加入瓜爾豆膠、四聚偏酸鉀和改性高彈碳纖維攪拌均勻后加到球磨機(jī)中，球磨20-40分鐘； (2)將球磨得到的漿料抽真空，抽2-5分鐘后向漿料中加入交聯(lián)劑TAC繼續(xù)攪拌均勻，再將漿料注入到疊層玻璃模具中后在真空干燥箱內(nèi)于60-80° C下干燥1-2小時(shí)； (3)將步驟(2)中的濕坯脫模在室溫下自然干燥1-2天，然后在95-100°C溫度下，濕度在60-70%的條件下干燥1-2天，將剩余的成分裝入等離子噴涂送粉裝置在坯體表面噴涂均勻； (4)將步驟(3)的坯體在室溫下以3-5°C/min的速率升溫至200° C，再以1_2° C/min的速率升溫至600° C，恒溫保持1_2小時(shí)后放置于真空燒結(jié)爐中，在1400-1600° C的溫度下燒結(jié)5-8小時(shí)，即可得到。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)釔鋁石榴石陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成：釔鋁石榴石30-50、氧化鈧6-8、改性高彈碳纖維10-13、丁烯酸甲酯5-8、過(guò)硫酸銨0.03-0.06、交聯(lián)劑TAC0.2-0.4、高嶺土10-15、四聚偏酸鉀1-3、氧化鎂20-30、瓜爾豆膠2-3、乙醇20-30、去離子水40-60；本發(fā)明采用改性高強(qiáng)碳纖維作為增強(qiáng)相，具有優(yōu)良的抗氧化、增強(qiáng)陶瓷韌性、強(qiáng)度、耐高低溫、導(dǎo)熱性好和膨脹系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)，并且制作工藝簡(jiǎn)單，降低了燒結(jié)溫度，提高了燒結(jié)性能，并且工期短，成品率高。
【IPC分類(lèi)】C04B35-80, C04B35-622, C04B35-44
【公開(kāi)號(hào)】CN104844242
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510169901
【發(fā)明人】舒小山, 章建武, 宮平, 湯興友
【申請(qǐng)人】安徽省含山瓷業(yè)股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年4月13日