CN115304285A - 定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法及复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及性能各向异性复合材料的制备方法，具体涉及定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法及复合材料。解决了现有技术所制备的复合材料中短纤维原料随机无序排布而无法实现某个方向上力学性能、热学性能提升的技术问题。本发明制备方法，包括以下步骤：1)浆料制备；2)注浆；3)磁场中成型；4)将脱模后的坯体进行干燥；5)将干燥后的坯体在760℃～850℃进行真空无压烧结，得到定向排列的短纤维原料增强低膨胀玻璃基复合材料。本发明制备方法，在复合材料注浆成型过程中，通过强磁场的诱导，实现纤维在复合材料中的定向排列，获得在力学、热学等性能上具有各向异性的复合材料，满足在特殊环境应用下对复合材料性能的要求。
Description
技术领域
本发明涉及性能各向异性复合材料的制备方法，具体涉及一种定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法及采用该方法制备的定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料。
背景技术
航天航空、汽车工业、精密仪器等领域都涉及到轻质低膨胀的结构类复合材料的应用，力学性能和热学性能是衡量这些结构类复合材料性能的重要指标。该类复合材料的性能除了与组分各自的性能、比例、复合材料孔隙率有关外，还与组分(如纤维)在复合材料中的排列情况有关。作为复合材料力学性能的增强体，纤维的排列方向直接决定其在某个方向上的最大承载力，同时也影响了这个方向上的热学性能。
在复合材料普通注浆成型过程中，因为纤维的取向是随机分布的，因此，它们的性能是沿每个方向的统计平均值，并表现出与微观结构相对应的各向同性。据分析表明，随机分布的纤维实际上只有40％发挥了增韧作用，而其余部分并未得到有效利用，造成很大的资源浪费。纤维的定向排列可以赋予复合材料在特定方向上的某种特殊性能，如可大大提高与纤维排列方向相垂直方向上的力学性能，同时可实现复合材料在两个不同方向上的热学性能各向异性。纤维的定向排列不仅对复合材料的特定方向上的力学性能显著增强，而且还可以减少纤维用量，降低材料的孔隙率，进一步提高复合材料的致密度和品质，节约原料成本。
目前，对纤维实现有序排列的基质主要是有机聚合物，针对低膨胀玻璃基三相复合材料，且在注浆成型过程中一步法实现非磁性纤维的定向排列还未见报道。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术所制备的复合材料中短纤维原料随机无序排布而无法实现某个方向上力学性能、热学性能提升的技术问题，而提供一种定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法及复合材料。
本发明中制备方法的构思是：通过在复合材料注浆成型过程中加入强磁场，使磁化的纤维在磁场中受到磁场力发生扭转，在成型的同时达到纤维的有序排列，最终获得一种短纤维原料定向排列、定向增强、且力学和热学性能各向异性的低膨胀玻璃基复合材料，本发明制备得到的一种定向排列的短纤维原料增强低膨胀玻璃基复合材料适用于航空航天、汽车行业、精密仪器等领域的结构类材料的应用。
本发明的技术解决方案是：
一种定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)浆料制备
1.1)分别称取原料总量50％～60％质量比的高硼硅玻璃粉原料、原料总量27％～33％质量比的β-锂霞石粉原料和原料总量10％～18％质量比的短纤维原料；
1.2)将高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料加入到球磨罐中，加入占原料总量50％～94％质量比的高纯水，再加入占原料总量0.1％～0.5％质量比的分散剂溶液，加入直径为3～5mm的氧化锆球，球磨混合均匀，再加入相应的短纤维原料，继续球磨混合20～40分钟得到均匀浆料；氧化锆球的质量与原料总量的比为2:1；
1.3)将浆料过100～200目筛，过筛后的浆料在搅拌条件下调节pH值为8～11，得到均匀稳定的三元复合物浆料；
1.4)将三元复合物浆料中的气泡抽真空去除；
2)注浆
将去除气泡的三元复合物浆料倾斜45度缓慢倒入预先制备好的具有一定湿度的模具中；
3)磁场中成型
将步骤2)中的模具放入磁场中，在磁场中进行磁化，完成纤维有序排列和复合材料的成型；浆料干燥后将模具取出，静置固化后，脱模；所述磁场的磁场强度为12～16T，重力场为1G～2G，在磁场中进行磁化的时间为30～45分钟；
4)将脱模后的坯体进行干燥；
5)将干燥后的坯体在760℃～850℃进行真空无压烧结，得到定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料。
进一步地，步骤2)中，所述具有一定湿度的模具中水分含量为15％～25％。
进一步地，步骤1.1)中，所述高硼硅玻璃粉原料的粒径为0.5～0.9μm；所述β-锂霞石粉原料的粒径为0.2～0.9μm；所述短纤维原料为莫来石、氧化锆、氧化锌、钛酸铅、碳化硅、氮化硅、硼化锆、硫酸钙、玻璃纤维中的其中一种；所述短纤维原料的直径为0.5～5μm，短纤维原料的长径比为20～40。
进一步地，步骤1.3)中，调节pH的方法为：在电动机械搅拌条件下，用氨水或氢氧化钠调节。
进一步地，步骤1.2)中，所述分散剂溶液为5％浓度的聚乙烯醇、乙二醇和柠檬酸铵溶液中的其中一种。
进一步地，步骤1.4)中，所述三元复合物浆料中的气泡去除的方法为：将三元复合物浆料放入真空箱中，在真空度为-0.01～-0.03MPa条件下保持10～15min，将气泡去除。
进一步地，步骤4)中，所述干燥方法为：先在室温下干燥2-3天，再放入烘箱在30～38℃下进行恒温干燥10～15天。
进一步地，步骤5)中，真空无压烧结的过程为：将干燥后的坯体放入马弗炉中，先缓慢升温至760～850℃，真空条件下保温5～10h；然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温。
进一步地，步骤1.1)中分别称取的高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料和莫来石短纤维原料的质量比为54％、31％和15％；
步骤1.2)中，加入高纯水的量占原料总量的62.5％，加入分散剂溶液的量占原料总量0.2％；
步骤1.3)中，将浆料过200目筛；过筛后的浆料在搅拌条件下调节pH值为9；
步骤2)中，所述具有一定湿度模具中水分含量为20％；
步骤3中，所述磁场的强度为16T，重力场为1G，磁化时间为30分钟；
步骤5)中，真空无压烧结温度为805℃。
一种定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料，其特殊之处在于：采用上述定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法制备。
本发明的有益效果：
1、本发明制备方法，结合注浆成型法的优点，在低膨胀玻璃基三相复合材料注浆成型过程中，通过强磁场的诱导，使磁化的纤维在磁场中受到磁场力的扭转，实现纤维在复合材料中的定向排列，获得性能可调且性能各向异性的复合材料，相比于现有技术制备的复合材料中纤维的随机无序排列，该复合材料在垂直于纤维排列的方向上，力学性能大大提升，抗弯强度提高了50％，膨胀系数也显示出各向异性，使纤维发挥了极大增韧性能的同时，还调节了材料的膨胀系数，不仅满足了特殊应用环境条件下对材料在不同方向上的力学性能和热学性能各相向异性的要求，还减少了纤维用量，节约了生产成本。
2、本发明制备方法，将浆料倒入具有一定湿度的模具中，使接触模具的浆料在完成定向排列前不易干结，浆料中纤维受磁场作用进行定向排列的阻碍力减小。
3、本发明制备方法，结合磁场和重力场，使纤维能在特定的方向上进行排列，通过简单的设备即可实现。
4、本发明制备方法，短纤维原料采用莫来石、氧化锆、氧化锌、钛酸铅、碳化硅、氮化硅、硼化锆、硫酸钙、玻璃纤维等，上述材料在力学性能和膨胀系数等方面均表现良好，对本发明实现短纤维的定向排列和复合材料性能调节奠定了良好的基础。
5、本发明制备方法，通过调节浆料的pH值，使浆料的Zeta电位的绝对值最大，浆料能够保持稳定分散。
6、本发明制备方法采用真空除泡技术，将浆料中的气泡排除，并以45°倾斜角度将浆料缓慢倒入模具中排出模具中的空气，两步排气大大降低了复合材料坯体中气孔。
7、本发明制备方法通过简单的真空无压烧结制得，生产工艺及设备简单、生产成本较低，节能减排。
8、本发明制备方法所用的高硼硅玻璃粉原料尺寸和β-锂霞石粉原料尺寸均为微纳米级，大大提高了浆料的稳定性，保证了坯体的均匀稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例1所制备得到的复合材料断面的扫描电镜(SEM)图；
图2是现有技术通过注浆成型法制备得到的复合材料断面扫描电镜(SEM)图；
图3是本发明实施例1所制备得到的复合材料在垂直于纤维排列方向上的膨胀系数图；
图4是本发明实施例1所制备得到的复合材料在平行于纤维排列方向上的膨胀系数图；
图5是现有注浆技术所制备得到的纤维无序排列复合材料的膨胀系数图。
具体实施方式
本发明结合注浆成型法的优点，在低膨胀玻璃基三相复合材料注浆成型过程中，通过强磁场的诱导，实现纤维在复合材料中的定向排列，获得性能可调且性能各向异性的复合材料。这些材料可以用于特殊环境下的结构材料，如用作光纤陀螺骨架，满足其在垂直于光纤线圈和平行于光纤线圈上的热学各向异性的需求。
本发明提供的一种定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)浆料制备
1.1)分别称取原料总量50％～60％质量比的高硼硅玻璃粉原料、原料总量27％～33％质量比的β-锂霞石粉原料和原料总量10％～18％质量比的短纤维原料；
其中，高硼硅玻璃粉原料的粒径为0.5～0.9μm；β-锂霞石粉原料的粒径为0.2～0.9μm；短纤维原料为莫来石、氧化锆、氧化锌、钛酸铅、碳化硅、氮化硅、硼化锆、硫酸钙、玻璃纤维纤维中的其中一种，短纤维原料的直径为0.5～5μm，短纤维原料的长径比为20～40。
1.2)将高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料加入到球磨罐中，加入占原料总量50％～94％质量比的高纯水，再加入占原料总量0.1％～0.5％质量比的分散剂溶液，按球料比2:1加入直径为3～5mm的氧化锆球，球磨混合均匀，再加入相应的短纤维原料，继续球磨混合20～40分钟得到均匀浆料；
其中，分散剂溶液为5％浓度的聚乙烯醇、乙二醇和柠檬酸铵溶液中的其中一种。
1.3)将浆料过100～200目筛，过筛后的浆料在搅拌条件下调节pH值为8～11，得到均匀稳定的三元复合物浆料。
1.4)将三元复合物浆料中的气泡抽真空去除；三元复合物浆料中的气泡去除的方法为：将三元复合物浆料放入真空箱中，在真空度为-0.01～-0.03MPa条件下保持10～15min，将气泡去除。
2)注浆
将去除气泡的三元复合物浆料倾斜45度缓慢倒入预先制备好的具有一定湿度的模具中；模具中水分含量为15％～25％；
3)磁场中成型
将步骤2)中的模具放入磁场中，在磁场中进行磁化，完成纤维有序排列和复合材料的成型；将模具取出，室温固化后，脱模；其中，磁场的强度为12～16T，重力场为1G～2G，磁化时间为30～45分钟；
4)将脱模后的坯体进行干燥；干燥方法为：先在室温下干燥2-3天，再放入烘箱在30～38℃下进行恒温干燥10～15天。
5)将干燥后的坯体在760℃～850℃进行真空无压烧结，无压烧结的过程为：将干燥后的坯体放入马弗炉中，先缓慢升温至760～850℃，真空条件下保温5～10h；然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温，得到定向排列的短纤维原料增强低膨胀玻璃基复合材料。
下面通过具体的实施例和附图对本发明进行详细的说明描述。
实施例1
以原料总重20g为基准，按照以下步骤制备短纤维原料增韧的低膨胀玻璃基三元复合材料，模具尺寸φ35mm×40mm。
1)浆料制备：按照高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料、短纤维原料分别为54wt％、31wt％、15wt％的质量比例，首先称取10.8g粒径为0.5～0.7μm的高硼硅玻璃粉原料和6.2g粒径为0.2～0.5μm的β-锂霞石粉原料，再称取40g直径为5mm的氧化锆球(氧化锆球的质量与原料总量的比为2:1)，然后量取12.5mL高纯水(占总固体原料质量比为62.5％)，加入0.8mL、5％的乙二醇溶液，使分散剂占原料总量的0.2％，在氧化锆的球磨罐中混合后，将球磨罐放入球磨机中，在250rpm/min的转速下球磨混合20min后，然后再向球磨罐中再加入3g莫来石纤维(直径为5μm，长径比为20～40)，在250rpm/min下继续球磨混合30min，得到均匀浆料。将浆料过200目筛，然后在电动机械搅拌条件下用氨水调节浆料的pH值为9，获得固相含量为60wt％、粘度为37MPa·s的均匀稳定的三元复合物浆料。将三元复合物浆料放置于真空箱中，进行真空除泡10min，真空度为-0.02MPa，获得的三元复合物浆料待用。
2)注浆：将上述除泡后的三元复合物浆料以45°倾斜角缓慢注入含水量为20％，尺寸为φ35mm×40mm的石膏模具中。
3)磁场中成型：将装有浆料的模具固定在支架上，放入强磁体的磁场中，在重力场为1G，磁场强度为16T的条件下磁化30分钟，待浆料干燥后，缓慢取出模具；静置固化1h后，脱模，获得尺寸为φ35mm×25mm的坯体。
4)坯体干燥：将坯体在室温下干燥3天，然后将其放置在烘箱中，38℃条件下干燥15天。
5)烧结：将干燥后的坯体放入马弗炉中，进行真空无压烧结。烧结过程为：先缓慢升温至805℃，真空条件下保温5h；然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温，得到定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料，尺寸为φ30mm×12mm。
图1是本实施例所制备得到的复合材料断面的扫描电镜(SEM)图，图2是现有技术通过注浆成型法制备得到的复合材料断面形貌图。两图对比可以看出，通过强磁场的引入，复合材料中纤维排列有序。本实施例所制备的复合材料密度为2.35g/cm3，与普通注浆成型相比(2.32g/cm3)明显提高，说明该技术方案制备的复合材料更加致密。本实施例制得到的复合材料在垂直于纤维排列方向上的抗弯强度为139MPa，平均膨胀系数为1.48×10-6/K(图3)。在平行于纤维排列方向上的抗弯强度为75Mpa，平均膨胀系数为1.89×10-6/K(图4)。现有技术注浆成型法制备的样品抗弯强度83Mpa，平均膨胀系数为1.76×10-6/K(图5)。通过纤维的定向排列，实现了力学和热学性能的各向异性及在某个方向上力学性能的显著提升。
实施例2
以原料总重20g为基准，按照以下步骤制备短纤维原料增韧的低膨胀玻璃基三元复合材料，模具尺寸φ35mm×40mm。
1)浆料制备：按照高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料、短纤维原料为60wt％、30wt％、10wt％的比例，首先称取12g粒径为0.7～0.9μm的高硼硅玻璃粉原料和6g粒径为0.5～0.7μm的β-锂霞石粉原料，再称取40g直径为3mm的氧化锆球，然后量取14.4mL高纯水(占总固体粉料质量比为72％)，2mL 5％的PVA溶液，使分散剂占总固体粉料的0.5wt％，在氧化锆的球磨罐中混合，将球磨罐放入球磨机中，在230rpm/min下球磨混合30min后，然后再向球磨罐中再加入2g氧化锆纤维(直径为3.5μm，长径比为30～40)，在240rpm/min下继续球磨混合25min，得到均匀浆料。将浆料过200目筛，然后在电动机械搅拌条件下用氢氧化钠溶液调节浆料的pH值为10，获得固相含量为55％、粘度为26.3MPa·s的三元复合物浆料。将三元复合物浆料放置于真空箱中，进行真空除泡15min，真空度为-0.03MPa，获得的浆料待用。
2)注浆：将上述除泡后的三元复合物浆料以45°倾斜角缓慢注入含水量为20％，尺寸为φ35mm×40mm的石膏模具中。
3)磁场中成型：将装有浆料的模具固定在支架上，放入强磁体的磁场中，在重力为2G，磁场强度为12T的条件下磁化35分钟，待浆料干燥后，缓慢取出模具；静置固化2h后，脱模，获得尺寸为φ35mm×25mm的坯体。
4)坯体干燥：将坯体在室温下干燥2天，然后将其放置在烘箱中，35℃条件下干燥14天。
5)烧结：将干燥后的坯体放入马弗炉中，进行真空无压烧结。烧结过程为：先缓慢升温至850℃，真空条件下保温10h；然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温，得到尺寸为φ30mm×12mm复合材料。
本实施例所得的复合材料密度为2.58g/cm3，与普通注浆成型法制备的样品(2.45g/cm3)相比，样品内部更加致密。在垂直于纤维排列方向上的抗弯强度为154MPa，在平行于纤维排列方向上的抗弯强度为98Mpa。
实施例3
以原料总重20g为基准，按照以下步骤制备短纤维原料增韧的低膨胀玻璃基三元复合材料，模具尺寸φ35mm×40mm。
1)浆料制备：按照高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料、短纤维原料50wt％、33wt％、17wt％的比例，首先称取10g粒径为0.5～0.7μm的高硼硅玻璃粉原料和6.6g粒径为0.7～0.9μm的β-锂霞石粉原料，再称取40g直径为3mm的氧化锆球，然后量取18.8mL高纯水(占总固体粉料质量比为94％)，1.2mL 5％的柠檬酸铵溶液，使分散剂占总固体粉料的0.3％，在氧化锆的球磨罐中混合，将球磨罐放入球磨机中，在230rpm/min下球磨混合15min后，然后再向球磨罐中再加入3.4g钛酸铅纤维(直径为2.5μm，长径比为20～30)，在230rpm/min下继续球磨混合20min，得到均匀浆料。将浆料过120目筛，然后在电动机械搅拌条件下用氨水调节浆料的pH值为8，获得固相含量为50％、粘度为9.02MPa·s的均匀稳定的三元复合物浆料。将三元复合物浆料放置于真空箱中，进行真空除泡12min，真空度为-0.03MPa，获得的浆料待用。
2)注浆：将上述除泡后的三元复合物浆料以45°倾斜角缓慢注入含水量为15％、尺寸为φ35mm×40mm的石膏模具中。
3)磁场中成型：将装有浆料的模具固定在支架上，放入强磁体的磁场中，在重力为2G，磁场强度为16T的条件下磁化45分钟，待浆料干燥后，缓慢取出模具；静置固化2h后，脱模，获得尺寸为φ35mm×25mm的坯体。
4)坯体干燥：将坯体在室温下干燥2天，然后将其放置在烘箱中，30℃条件下干燥15天。
5)烧结：将干燥后的坯体放入马弗炉中，进行真空无压烧结。烧结过程为：先缓慢升温至790℃，真空条件下保温8h；然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温。
得到尺寸为φ30mm×11mm复合材料，本实施例所得的复合材料密度为2.62g/cm3。在垂直于纤维排列方向上的抗弯强度为135MPa，在平行于纤维排列方向上的抗弯强度为86Mpa。
实施例4
以原料总重20g为基准，按照以下步骤制备短纤维原料增强的低膨胀玻璃基三元复合材料，模具尺寸φ35mm×40mm。
1)浆料制备：按照高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料、短纤维原料为55wt％、27wt％、18wt％的比例，首先称取11g粒径为0.7～0.9μm的高硼硅玻璃粉原料和5.4g粒径为0.2～0.5μm的β-锂霞石粉原料，再称取40g直径为5mm的氧化锆球，然后量取10.4mL高纯水(占总固体粉料质量比为52％)，0.4mL 5％的柠檬酸胺溶液，使分散剂占总固体粉料的0.1wt％，在氧化锆的球磨罐中混合，将球磨罐放入球磨机中，在230rpm/min的转速下球磨混合30min后，然后再向球磨罐中再加入3.6g氧化锌纤维(直径为0.5μm，长径比为20～30)，在230rpm/min下继续球磨混合30min，得到均匀浆料。将浆料过200目筛，然后在电动机械搅拌条件下用氢氧化钠溶液调节浆料的pH值为11，获得固相含量为65wt％、粘度为70MPa·s的三元复合物浆料。将三元复合物浆料放置于真空箱中，进行真空除泡10min，真空度为-0.01MPa，获得的浆料待用。
2)注浆：将上述除泡后的三元复合物浆料以45°倾斜角缓慢注入含水量为25％，尺寸为φ35mm×40mm的石膏模具中。
3)磁场中成型：将装有浆料的模具固定在支架上，放入强磁体的磁场中，在重力为2G，磁场强度为12T的条件下磁化30分钟，待浆料干燥后，缓慢取出模具；静置固化1.5h后，脱模，获得尺寸为φ35mm×25mm的坯体。
4)坯体干燥：将坯体在室温下干燥3天，然后将其放置在烘箱中，38℃条件下干燥13天。
5)烧结：将干燥后的坯体放入马弗炉中，进行真空无压烧结。烧结过程为：先缓慢升温至760℃，真空气氛下保温6h，然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温，得到尺寸为φ32mm×10mm复合材料。本实施例所得的复合材料密度为2.37g/cm3。在垂直于纤维排列方向上的抗弯强度为124MPa，在平行于纤维排列方向上的抗弯强度为72Mpa。
实施例5
以原料总重20g为基准，按照以下步骤制备短纤维原料增韧的低膨胀玻璃基三元复合材料，模具尺寸φ35mm×40mm。
1)浆料制备：按照高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料、短纤维原料为55wt％、29wt％、16wt％的比例，首先称取11g粒径为0.5～0.7μm的高硼硅玻璃粉原料和5.8g粒径为0.2～0.5μm的β-锂霞石粉原料，再称取40g直径为5mm的氧化锆球，然后量取10mL高纯水(占总固体粉料质量比为50％)，0.4mL 5％的柠檬酸铵溶液，使分散剂占总固体粉料的0.1％wt，在氧化锆的球磨罐中混合，将球磨罐放入球磨机中，在230rpm/min的转速下球磨混合30min后，然后再向球磨罐中再加入3.2g氮化硅纤维(直径为2.5μm，长径比为20～30)，在230rpm/min下继续球磨混合30min，得到均匀浆料。将浆料过160目筛，然后在电动机械搅拌条件下用氢氧化钠溶液调节浆料的pH值为11，获得固相含量为58wt％、粘度为32.6MPa·s的三元复合物浆料。将三元复合物浆料放置于真空箱中，进行真空除泡10min，真空度为-0.01MPa，获得的浆料待用。
2)注浆：将上述除泡后的三元复合物浆料以45°倾斜角缓慢注入含水量为18％，尺寸为φ35mm×40mm的石膏模具中。
3)磁场中成型：将装有浆料的模具固定在支架上，放入强磁体的磁场中，在重力为2G，磁场强度为16T的条件下磁化35分钟，待浆料干燥后，缓慢取出模具；静置固化1.5h后，脱模，获得尺寸为φ35mm×25mm的坯体。
4)坯体干燥：将坯体在室温下干燥2天，然后将其放置在烘箱中，33℃条件下干燥14天。
5)烧结：将干燥后的坯体放入马弗炉中，进行真空无压烧结。烧结过程为：先缓慢升温至760℃，真空条件下保温8h，然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温，得到尺寸为φ31mm×10mm复合材料。本实施例所得的复合材料密度为2.18g/cm3。在垂直于纤维排列方向上的抗弯强度为286MPa，在平行于纤维排列方向上的抗弯强度为143Mpa。
实施例6
以原料总重20g为基准，按照以下步骤制备短纤维原料增韧的低膨胀玻璃基三元复合材料，模具尺寸φ35mm×40mm。
1)浆料制备：按照高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料、短纤维原料为60wt％、28wt％、12wt％的比例，首先称取12g粒径为0.7～0.9μm的高硼硅玻璃粉原料和5.6g粒径为0.5～0.7μm的β-锂霞石粉原料，再称取40g直径为5mm的氧化锆球，然后量取11.5mL高纯水(占总固体粉料质量比为51.8％)，0.8mL5％的柠檬酸胺溶液，使分散剂占总固体粉料的0.2％，在氧化锆的球磨罐中混合，将球磨罐放入球磨机中，在230rpm/min的转速下球磨混合30min后，然后再向球磨罐中再加入2.4g硼化锆纤维(直径为5μm，长径比为20～30)，在250rpm/min下继续球磨混合35min，得到均匀浆料。将浆料过100目筛，然后在电动机械搅拌条件下用氢氧化钠溶液调节浆料的pH值为11，获得固相含量为62wt％、粘度为65.3MPa·s的三元复合物浆料。将三元复合物浆料放置于真空箱中，进行真空除泡12min，真空度为-0.03MPa，获得的浆料待用。
2)注浆：将上述除泡后的三元复合物浆料以45°倾斜角缓慢注入含水量为15％、尺寸为φ35mm×40mm的石膏模具中。
3)磁场中成型：将装有浆料的模具固定在支架上，放入强磁体的磁场中，在重力为1G，磁场强度为16T的条件下磁化30分钟，待浆料干燥后，缓慢取出模具；静置固化1.5h后，脱模，获得尺寸为φ35mm×25mm的坯体。
4)坯体干燥：将坯体在室温下干燥2天，然后将其放置在烘箱中，35℃条件下干燥15天。
5)烧结：将干燥后的坯体放入马弗炉中，进行真空无压烧结。烧结过程为：先缓慢升温至850℃，真空条件下保温10h，然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温，得到尺寸为φ30mm×11mm复合材料。本实施例所得的复合材料密度为2.57g/cm3。在垂直于纤维排列方向上的抗弯强度为203MPa，在平行于纤维排列方向上的抗弯强度为103Mpa。
实施例7
以原料总重20g为基准，按照以下步骤制备短纤维原料增韧的低膨胀玻璃基三元复合材料，模具尺寸φ35mm×40mm。
1)浆料制备：按照高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料、莫来石纤维为58wt％、28wt％、14wt％的比例，首先称取11.6g粒径为0.7～0.9μm的高硼硅玻璃粉原料和5.6g粒径为0.7～0.9μm的β-锂霞石粉原料，再称取40g直径为5mm的氧化锆球，然后量取11mL高纯水(占总固体粉料质量比为55％)，1.2mL 5％的乙二醇溶液，使分散剂占总固体粉料的0.3％，在氧化锆的球磨罐中混合，将球磨罐放入球磨机中，在230rpm/min的转速下球磨混合30min后，然后再向球磨罐中再加入2.8g碳化硅纤维(直径为5μm，长径比为20～40)，在250rpm/min下继续球磨混合40min，得到均匀浆料。将浆料过100目筛，然后在电动机械搅拌条件下用氢氧化钠溶液调节浆料的pH值为11，获得固相含量为62wt％、粘度为64.6MPa·s的三元复合物浆料；将三元复合物浆料放置于真空箱中，进行真空除泡13min，真空度为-0.03MPa，获得的浆料待用。
2)注浆：将上述除泡后的三元复合物浆料以45°倾斜角缓慢注入含水量为25％、尺寸为φ35mm×40mm的石膏模具中。
3)磁场中成型：将装有浆料的模具固定在支架上，放入强磁体的磁场中，在重力为2G，磁场强度为16T的条件下磁化40分钟，待浆料干燥后，缓慢取出模具；静置固化1.5h后，脱模，获得尺寸为φ35mm×25mm的坯体。
4)坯体干燥：将坯体在室温下干燥2天，然后将其放置在烘箱中，38℃条件下干燥14天。
5)烧结：将干燥后的坯体放入马弗炉中，进行真空无压烧结。烧结过程为：先缓慢升温至790℃，真空条件下保温8h，然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温，得到尺寸为φ30mm×11mm复合材料。
本实施例所得的复合材料密度为2.58g/cm3。在垂直于纤维排列方向上的抗弯强度为223MPa，在平行于纤维排列方向上的抗弯强度为103Mpa。
实施例8
以原料总重20g为基准，按照以下步骤制备短纤维原料增韧的低膨胀玻璃基三元复合材料，模具尺寸φ35mm×40mm。
1)浆料制备：按照高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料、莫来石纤维为57wt％、33wt％、10wt％的比例，首先称取11.6g粒径为0.7～0.9μm的高硼硅玻璃粉原料和5.6g粒径为0.2～0.5μm的β-锂霞石粉原料，再称取40g直径为5mm的氧化锆球，然后量取14mL高纯水(占总固体粉料质量比为70％)，0.4mL 5％的乙二醇溶液，使分散剂占总固体粉料的0.1wt％，在氧化锆的球磨罐中混合，将球磨罐放入球磨机中，在230rpm/min的转速下球磨混合30min后，然后再向球磨罐中再加入2.8g玻璃纤维(直径为2μm，长径比为30～40)，在230rpm/min下继续球磨混合30min，得到均匀浆料。将浆料过200目筛，然后在电动机械搅拌条件下用氢氧化钠溶液调节浆料的pH值为11，固相含量为58wt％、粘度为32.8MPa·s的三元复合物浆料。将三元复合物浆料放置于真空箱中，进行真空除泡10min，真空度为-0.03MPa，获得的浆料待用。
2)注浆：将上述除泡后的三元复合物浆料以45°倾斜角缓慢注入含水量为20％、尺寸为φ35mm×40mm的石膏模具中。
3)磁场中成型：将装有浆料的模具固定在支架上，放入强磁体的磁场中，在重力为2G，磁场强度为16T的条件下磁化30分钟，待浆料干燥后，缓慢取出模具；静置固化1.5h后，脱模，获得尺寸为φ35mm×25mm的坯体。
4)坯体干燥：将坯体在室温下干燥2天，然后将其放置在烘箱中，35℃条件下干燥15天。
5)烧结：将干燥后的坯体放入马弗炉中，进行真空无压烧结。烧结过程为：先缓慢升温至760℃，真空条件下保温8h，然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温，得到尺寸为φ30mm×11mm复合材料。
本实施例所得的复合材料密度为1.98g/cm3。在垂直于纤维排列方向上的抗弯强度为127MPa，在平行于纤维排列方向上的抗弯强度为75Mpa。
实施例9
以原料总重20g为基准，按照以下步骤制备短纤维原料增韧的低膨胀玻璃基三元复合材料，模具尺寸φ35mm×40mm。
1)浆料制备：按照高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料、莫来石纤维为58wt％、28wt％、14wt％的比例，首先称取11.6g粒径为0.7～0.9μm的高硼硅玻璃粉原料和5.6g粒径为0.2～0.5μm的β-锂霞石粉原料，再称取40g直径为5mm的氧化锆球，然后量取13mL高纯水(占总固体粉料质量比为51.8％)，2mL 5％的乙二醇溶液，使分散剂占总固体粉料的0.5wt％，在氧化锆的球磨罐中混合，将球磨罐放入球磨机中，在230rpm/min的转速下球磨混合30min后，然后再向球磨罐中再加入2.8g硫酸钙纤维(直径为1μm，长径比为30～40)，在230rpm/min下继续球磨混合30min，得到均匀浆料。将浆料过180目筛，然后在电动机械搅拌条件下用氢氧化钠溶液调节浆料的pH值为11，获得固相含量为57wt％、粘度为34.2MPa·s的三元复合物浆料。将三元复合物浆料放置于真空箱中，进行真空除泡15min，真空度为-0.03MPa，获得的浆料待用。
2)注浆：将上述除泡后的三元复合物浆料以45°倾斜角缓慢注入含水量为20％、尺寸为φ35mm×40mm的石膏模具中。
3)磁场中成型：将装有浆料的模具固定在支架上，放入强磁体的磁场中，在重力为1G，磁场强度为16T的条件下磁化35分钟，待浆料干燥后，缓慢取出模具；静置固化1.5h后，脱模，获得尺寸为φ35mm×25mm的坯体。
4)坯体干燥：将坯体在室温下干燥3天，然后将其放置在烘箱中，33℃条件下干燥15天。
5)烧结：将干燥后的坯体放入马弗炉中，进行真空无压烧结。烧结过程为：先缓慢升温至760℃，真空条件下保温8h，然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温，得到尺寸为φ30mm×11mm复合材料。
本实施例所得的复合材料密度为2.04g/cm3。在垂直于纤维排列方向上的抗弯强度为130MPa，在平行于纤维排列方向上的抗弯强度为72Mpa。
Claims (10)
1.一种定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)浆料制备
1.1)分别称取原料总量50％～60％质量比的高硼硅玻璃粉原料、原料总量27％～33％质量比的β-锂霞石粉原料和原料总量10％～18％质量比的短纤维原料；
1.2)将高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料加入到球磨罐中，加入占原料总量50％～94％质量比的高纯水，再加入占原料总量0.1％～0.5％质量比的分散剂溶液，加入直径为3～5mm的氧化锆球，球磨混合均匀，再加入相应的短纤维原料，继续球磨混合20～40分钟得到均匀浆料；氧化锆球的质量与原料总量的比为2:1；
1.3)将浆料过100～200目筛，过筛后的浆料在搅拌条件下调节pH值为8～11，得到均匀稳定的三元复合物浆料；
1.4)将三元复合物浆料中的气泡抽真空去除；
2)注浆
将去除气泡的三元复合物浆料倾斜45度缓慢倒入预先制备好的具有一定湿度的模具中；
3)磁场中成型
将步骤2)中的模具放入磁场中，在磁场中进行磁化，完成纤维有序排列和复合材料的成型；浆料干燥后将模具取出，静置固化后，脱模；所述磁场的磁场强度为12～16T，重力场为1G～2G，在磁场中进行磁化的时间为30～45分钟；
4)将脱模后的坯体进行干燥；
5)将干燥后的坯体在760℃～850℃进行真空无压烧结，得到定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料。
2.根据权利要求1所述的定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤2)中，所述具有一定湿度的模具中水分含量为15％～25％。
3.根据权利要求2所述的定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤1.1)中，所述高硼硅玻璃粉原料的粒径为0.5～0.9μm；
所述β-锂霞石粉原料的粒径为0.2～0.9μm；
所述短纤维原料为莫来石、氧化锆、氧化锌、钛酸铅、碳化硅、氮化硅、硼化锆、硫酸钙、玻璃纤维中的其中一种；
所述短纤维原料的直径为0.5～5μm，短纤维原料的长径比为20～40。
4.根据权利要求3所述的定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤1.3)中，调节pH的方法为：在电动机械搅拌条件下，用氨水或氢氧化钠调节。
5.根据权利要求1-4任一所述的定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤1.2)中，所述分散剂溶液为5％浓度的聚乙烯醇、乙二醇和柠檬酸铵溶液中的其中一种。
6.根据权利要求5所述的定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1.4)中，所述三元复合物浆料中的气泡去除的方法为：将三元复合物浆料放入真空箱中，在真空度为-0.01～-0.03MPa条件下保持10～15min，将气泡去除。
7.根据权利要求6所述的定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤4)中，所述干燥方法为：先在室温下干燥2-3天，再放入烘箱在30～38℃下进行恒温干燥10～15天。
8.根据权利要求7所述的定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤5)中，真空无压烧结的过程为：将干燥后的坯体放入马弗炉中，先缓慢升温至760～850℃，真空条件下保温5～10h；然后降至650℃，保温2h，然后降至550℃，保温2h，最后再降至400℃，随炉自然冷却至室温。
9.根据权利要求8所述的定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤1.1)中分别称取的高硼硅玻璃粉原料、β-锂霞石粉原料和莫来石短纤维原料的质量比为54％、31％和15％；
步骤1.2)中，加入高纯水的量占原料总量的62.5％，加入分散剂溶液的量占原料总量0.2％；
步骤1.3)中，将浆料过200目筛；过筛后的浆料在搅拌条件下调节pH值为9；
步骤2)中，所述具有一定湿度模具中水分含量为20％；
步骤3中，所述磁场的强度为16T，重力场为1G，磁化时间为30分钟；
步骤5)中，真空无压烧结温度为805℃。
10.一种定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料，其特征在于：采用权利要求1-9任一所述定向排列的短纤维增强低膨胀玻璃基复合材料的制备方法制备。
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