一種耐熱炭材料粘結劑及其使用方法
2023-07-31 05:44:06 2
專利名稱：一種耐熱炭材料粘結劑及其使用方法
技術領域：
本發明屬於粘結劑及其用途，具體地說涉及用於炭材料或炭材料與金屬、陶瓷之間粘接的一種耐熱高強度粘結劑及其使用方法。
炭材料因其突出的高溫熱物理性能而多作為高溫結構部件而使用在高溫場合。炭材料還具有優異的導電性能，如石墨的導電能力僅次於銀、銅等，廣泛應用在電極、發熱體、加熱器等領域。但炭材料本身特有的脆性使其在加工生產大尺寸或形狀複雜的炭製品時多有不便。另外在某些場合，需要將炭材料與炭材料或金屬、陶瓷進行連接。而現在常用的連接技術，如螺栓連接、鉚接、焊接等，由於在材料表面打孔或局部加熱而造成材料的局部性能劣化，在使用過程中極易因應力集中而導致斷裂，造成原材料的浪費、成本的提高；固態釺焊技術雖實現了連接界面的整體承受載荷，但惰性的石墨材料與釺料間存在物理、化學相容性等問題，釺料的選擇不易，工藝複雜，對設備的使用有一定的要求。而使用粘接技術，具有工藝簡單、施工方便、價格低廉、使用範圍廣、因粘接界面整體承受載荷而使承載能力提高，使用壽命延長等優點，並且可根據使用要求的變化，調整粘結劑的組成或配比。隨軍事、航空航天、核工業等行業的發展，炭材料在高溫領域的應用越來越多，國際上各個國家竟相開發研製應用於炭材料的高溫粘結劑。主要研究高溫陶瓷材料的美國阿累姆柯產品公司(Amerco．Products．Inc．)，其生產的超高溫粘結劑(ultratemp adhesive)是一種使用溫度達2427℃的高溫粘結劑，但其固化溫度高達593℃。俄羅斯國家石墨結構研究院已開發出10多個品種的高溫粘結劑，用於生產和修理石墨，實現炭-炭複合材料，炭與金屬，金屬與金屬的連接。其所生產的UzMK系列膠雖實現了室溫固化，但固化時間長達數天，且耐熱溫度不超1000℃；U M K系列膠雖能在保護氣下於1300-1600℃下工作，但仍需在1-2個大氣壓下固化3天，且高溫強度較低。日本大谷杉郎利用COPNA樹脂為原料製備的高溫粘結劑粘接處理後的炭素材料，在加熱到2000℃以上，其接合強度還能保持在20Mpa以上，利用這種粘結劑，可將小型部件粘製成大型環形加熱器，也可用此法裝配複雜的大型電極。但COPNA樹脂價格昂貴，成本較高，且粘結工藝複雜，需要進行等離子濺塗等表面處理以及要在1000℃高溫長時間炭化處理。
本發明的發明目的是提供一種成本低、粘接工藝簡單的耐熱炭材料粘結劑及其使用方法。
本發明的高溫粘結劑的原料組成為甲階酚醛樹脂(PF)和碳化硼陶瓷(B4C)，其配比範圍為甲階酚醛樹脂∶碳化硼(B4C)=100∶(50-150)。原料所用的甲階酚醛樹脂炭化後的殘炭率為45-75％，B4C的粒度範圍為3．5-10μm，純度為85％-98％。
本發明的粘結劑製備方法是將上述的甲階酚醛樹脂與B4C陶瓷粉末按上述比例混合均勻，即得到高溫粘結劑。
本發明的粘結劑使用方法步驟如下1．將炭材料待粘結面清洗乾淨，乾燥，在粘結面上雙面塗膠，晾置待溶劑揮發後粘合。
2．將初粘炭材料從室溫以1小時升到100℃，再以0．5℃／min升溫速率升溫至160℃固化1小時，然後加熱到200℃深固化2小時。
3．將上述粘結好的材料以2-6℃／min的升溫速率在800-1500℃下進行高溫熱處理。
本發明的粘結劑與現有技術相比具有如下優點1．原料易得，調製方便，成本低廉。
2．由於有機樹脂的結構多樣，易於改性，並且對炭材料的潤溼性能好，粘接力強，在樹脂與基體炭材料界面間有助於產生較強的分子間作用力，在高溫炭化後的樹脂次生碳具有極高的耐熱溫度，並與基體炭材料的物理、化學性質相近，易形成統一的整體。由於粘結劑中添加有改性陶瓷填料，在熱處理過程中，改性陶瓷填料與樹脂炭化產物及基體炭材料發生化學了反應，提高膠層的內聚強度和結構的緻密性，並在粘接界面生成耐熱和強度高的化學鍵，所以實現了粘結件在高溫使用環境下仍具有理想的連接強度。
3．粘接部位的導電性能接近於碳素材料的導電性能。
4．由於粘結的性能好，所以提高了炭製品的使用率，可降低原材料的損耗，節約成本。
5．由於粘結劑中加入的陶瓷填料具有抗氧化性質，所以粘結劑粘結後的部位具有一定的抗氧化功能。
實施例1(1)稱取100份甲階酚醛樹脂(炭化殘炭率46．5％)，75份碳化硼(B4C)(粒度3．5-5μm，純度90％)混合，攪拌均勻，得到高溫粘結劑。
(2)以高強高密高純石墨(細粒度石墨)為粘接材料，對待粘結石墨表面進行清洗，乾燥，雙面塗膠後，晾置，粘合。
(3)將初粘石墨從室溫1小時升到100℃，再以0．5／min升溫速率升溫至160℃固化1小時，再加熱到200℃深固化2小時。
(4)將粘接件在馬弗爐和真空電阻爐中以2℃／min的升溫速率加熱到800℃，1500℃。
熱處理後的粘結樣品粘結強度高，導電性能良好。200℃加熱處理後粘接部位的連接強度高於基體石墨的強度；800℃處理後，其室溫粘結強度達到7．2MPa；1500℃處理後，其室溫粘結強度達到11．2MPa。粘接部位的導電性能接近於基體石墨的導電性能。導電結果見表1。
實施例2(1)稱取100份甲階酚醛樹脂(炭化殘炭率46．5％)，100份碳化硼(B4C)(粒度3．5-5μm，純度90％)混合，攪拌均勻，得到高溫粘結劑。
(2)按實施例1中的步驟2，3，4對石墨材料進行粘結並在不同溫度下進行高溫處理。
熱處理後的粘結樣品粘結強度高，導電性能良好。200℃加熱處理後粘接部位的連接強度高於基體石墨的強度；在800℃處理後，其室溫粘結強度達到9．8MPa；1500℃處理後，其室溫粘結強度達到9．3MPa．粘接部位的導電性能接近於基體石墨的導電性能。導電結果見表1。
實施例3(1)稱取100份甲階酚醛樹脂(炭化殘炭率46．5％)，125份碳化硼(B4C)(粒度3．5-5μm，純度90％)混合，攪拌均勻，得到高溫粘結劑。
(2)按實施例1中的步驟2，3，4對石墨材料進行粘結，並在不同溫度下進行高溫處理。
熱處理後的粘結樣品粘結強度高，導電性能良好。200℃加熱處理後粘接部位的連接強度高於基體石墨的強度；在800℃處理後，其室溫粘結強度達到13．2MPa；1500℃處理後，其室溫粘結強度達到8．6MPa。粘接部位的導電性能接近於基體石墨的導電性能。導電結果見表1。
表1粘接樣品在不同溫度熱處理後的導電性能
實施例4(1)稱取100份甲階酚醛樹脂(炭化殘炭率46．5％)，50份碳化硼(B4C)(粒度5-10μm，純度85％)，攪拌混合均勻，得到高溫粘結劑。
(2)以核反應堆用高強垛體石墨(粗粒度石墨)為粘接材料。對待粘結石墨表面進行清洗，乾燥，雙面塗膠後，晾置片刻，粘合。
(3)將初粘石墨從室溫1小時升到100℃，再以0．5℃／min升溫速率升溫至160℃固化1小時，再加熱到200℃深固化2小時。
(4)將粘接件在馬弗爐和真空電阻爐中以4℃／min的升溫速率加熱到800℃，1500℃。
熱處理後的粘結樣品耐熱溫度高，粘結強度大，200℃加熱處理後粘接部位的連接強度高於基體石墨的強度，測試表現為被粘基體石墨破壞；在800℃處理後，其室溫粘結強度達到7．5MPa；1500℃處理後，其室溫粘結強度達到10．9MPa。
實施例5(1)稱取100份甲階酚醛樹脂(炭化殘炭率46．5％)，75份碳化硼(B4C)(粒度5-10μm，純度85％)，攪拌混合均勻，得到高溫粘結劑。
(2)按實施例4中的步驟2，3，4對垛體石墨材料粘結，並在不同溫度下進行高溫處理。
熱處理後的粘結樣品耐熱溫度高，粘結強度大，200℃加熱處理後粘接部位的連接強度高於基體石墨的強度，測試表現為被粘基體石墨破壞；在800℃處理後，其室溫粘結強度達到7．6MPa；1500℃處理後，其室溫粘結強度達到11．7MPa。
實施例6(1)稱取100份甲階酚醛樹脂(炭化殘炭率46．5％)，100份碳化硼(B4C)(粒度5-10μm，純度85％)混合，攪拌混合均勻，得到高溫粘結劑。
(2)按實施例4中的步驟2，3，4對石墨材料進行粘結，並在不同溫度下進行高溫處理。
熱處理後的粘結樣品耐熱溫度高，粘結強度大，200℃加熱處理後粘接部位的連接強度高於基體石墨的強度，測試表現為被粘基體石墨破壞，在800℃處理後，其室溫粘結強度達到7．6MPa；1500℃處理後，其室溫粘結強度達到11．2MPa。
實施例7(1)稱取100份甲階酚醛樹脂(炭化殘炭率46．5％)，100份碳化硼(B4C)(粒度3．5-5μm，純度為90％)混合，攪拌均勻，得到高溫粘結劑。
(2)將高溫粘結劑塗在坩堝(陶瓷質)表面，放入馬弗爐中於200℃固化並以6℃／min的升溫速率升溫至800℃。
800℃熱處理後的粘結劑與陶瓷坩堝粘接結實，界面作用力強，以剪切力分離膠層與陶瓷粘結部位，結果為陶瓷基質破壞，而粘結處無損。
對比例1(1)稱取45份甲階酚醛樹脂，5份苯甲醇，90份石墨粉，10份對甲苯磺醯氯(固化劑)。攪拌混合均勻，得到粘結劑。
(2)以不透性石墨為粘接材料。待粘結石墨表面進行清洗，乾燥，雙面塗膠後，晾置片刻，粘合，固化。
粘接件的耐熱溫度為130℃，抗壓強度為3．5-5MPa。
對比例2(1)稱取100份甲階酚醛樹脂，22份α、γ-二氯丙醇(改性劑)，800-100份石墨粉，8-10份苯磺醯氯(固化劑)，攪拌混合均勻，得到粘結劑。
(2)以普通石墨為粘接材料，對待粘結石墨表面進行清洗，乾燥，雙面塗膠後，晾置片刻，粘合，固化。
粘接件的耐熱溫度為170-180℃，抗壓強度為8MPa。
對比例3(1)稱取70份甲階酚醛樹脂，30份環氧樹脂(改性劑)，80-100份石墨粉，5-6份乙二胺(固化劑)。攪拌混合均勻，得到粘結劑。
(2)以普通石墨為粘接材料，對待結石墨表面進行清洗，乾燥，雙面塗膠後，晾置片刻，粘合，固化。
粘接件的耐熱溫度為250℃，粘結強度為6．9-14MPa。
對比例4(1)稱取60-80份水玻璃，5-6份氟矽酸鈉，95-100份石墨粉，攪拌混合均勻，得到粘結劑。
(2)以普通石墨為粘接材料。對待粘結石墨表面進行清洗，乾燥，雙面塗膠後，晾置片刻，粘合，固化。
粘接件的耐熱溫度為300-400℃，粘結強度為0．5-1．8MPa。
權利要求
1．一種耐熱炭材料粘結劑，其特徵在於粘結劑由炭化後的殘炭率為45％-75％的甲階酚醛合樹脂和粒度為3．5-10μm，純度為85％-98％的碳化硼(B4C)陶瓷粉末組成，各重量份數比為甲階酚醛樹脂∶B4C=100∶(50-150)。
2．如權利要求1所述的一種耐熱炭材料粘結劑的使用方法，其特徵在於具體步驟如下(1)將炭材料待粘結面清洗，乾燥，在粘接面上雙面塗膠，晾置，待溶劑揮發後粘合；(2)將初粘炭材料從室溫以1小時升到100℃，再以0．5／℃升溫速率升溫至160℃固化1小時，然後加熱到200℃深固化2小時；(3)將上述粘結好的材料以2-6℃min的升溫速率在800-1500℃下進行高溫熱處理。
全文摘要
一種耐熱炭材料粘結劑及其使用方法,粘結劑各組份重量份數比為甲階酚醛樹脂∶碳化硼(B
文檔編號C04B41/83GK1289813SQ9912126
公開日2001年4月4日 申請日期1999年9月28日 優先權日1999年9月28日
發明者劉朗, 王繼剛, 郭全貴, 宋進仁 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所