碳化硅纤维-辉石基尾矿微晶玻璃复合材料的制备

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微晶玻璃因具有对原料成分波动宽容度大、物相组成、显微形貌及性能可调性大及制备工艺灵活可调等特点而在封接材料、生物材料、高温绝缘体、航空、航天等领域以及环境工程领域中的矿冶固体废弃物综合利用方面都得到了广泛应用。但其固有的脆性阻碍了其应用领域的进一步拓展。纤维增韧是众多微晶玻璃有效增韧手段的其中一种。然而,现有纤维-微晶玻璃复合材料制备中常采用热压烧结技术制备。这种工艺所具有的制备出材料有各向异性、形状简单、生产率低、生产成本高等特点严重地阻碍着纤维强韧化微晶玻璃复合材料的应用。与此同时,在非热压条件下,Si C纤维强韧化辉石基尾矿微晶玻璃复合材料的研究与开发还处于萌芽期。为此,本论文拟在探索Si C纤维强韧化辉石基尾矿微晶玻璃常压制备工艺的前提下,进一步采用DSC、XRD、SEM、EDS、综合力学性能测试仪和精密阻抗分析仪等测试手段,分别研究Si C纤维含量及常压制备工艺参数(晶化温度、烧结温度)对所制备复合材料显微结构及性能的影响。并得到以下结果:(1)在上述工艺下,碳化硅纤维含量由0wt.%逐渐增加至40wt.%。辉石相在纤维诱导下衍射峰强度降低,材料中硅灰石晶相衍射峰有所加强。微观形貌中可以观察到纤维的拔出、桥接以及裂纹的偏转现象。材料各项性能在纤维含量为30wt.%达到最大值,其硬度为7.02?0.4GPa,抗折强度为268.2?7.3MPa,断裂韧性为1.93?0.2MPa?m1/2。抗折强度与断裂韧性分别提高43%和56%。在各频率范围内随纤维含量的提升,介电常数、介电损耗均呈现上升趋势。(2)晶化温度由850℃升至910℃。晶相种类没有发生变化,辉石相得到增强。最佳晶化温度为890℃。在这一工艺下复合材料的抗折强度为275.5?8.2MPa,断裂韧性为1.99?0.18MPa?m1/2。抗折强度与断裂韧性分别提高47%和61%。介电常数随着晶化温度的升高呈现先增大后减小的趋势,介电损耗随晶化温度的升高而增加。(3)烧结温度由1030℃升至1090℃,复合材料中碳化硅纤维含量降低。透辉石相增强,硅灰石相减弱。最佳烧结温度为1050℃。复合材料的抗折强度为268.2?7.3MPa,断裂韧性为1.93?0.2MPa?m1/2。随着烧结温度升高,介电常数先上升后下降,材料的介电损耗呈下降趋势。本研究制备得到了Si C纤维\辉石基尾矿微晶玻璃复合材料。得到纤维最佳掺入量为30wt.%,最佳晶化温度为890℃,最佳烧结温度为1050℃。研究结果可以为白云鄂博尾矿等固体废弃物的综合利用提供借鉴。因此,也为相关环境的改造提供了新思路。
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