一种用于粘接炭材料的粘结剂制造技术

一种用于粘接炭材料的粘结剂，由炭化后的残炭率为４６－７６％的有机树脂，粒度为２．５－６５μｍ，纯度介于（８５－９４）％的碳化硼和粒度范围为２．５－６５μｍ的二氧化硅组成，各组成重量份数比为：有机树脂∶碳化硼∶二氧化硅＝１００∶（２５－７５）∶（３－１０）。本发明专利技术具有原料廉价易得，配制方便，工艺简单的优点，粘接制品具有极高的耐热性能，耐热温度高达２５５０℃以上，且高温热处理后的粘接件电阻率低，导电性能好，粘接强度高。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于粘结剂，具体地说涉及一种用于粘接炭材料或粘接炭材料与陶瓷、金属的耐热高强度的粘结剂。炭材料因其突出的高温热物理性能而多作为高温结构部件而使用在高温场合。炭材料还具有优异的导电性能，如石墨的导电能力仅次于银、铜等，广泛应用在电极、发热体、加热器等领域。但炭材料在加工生产大尺寸或形状复杂的炭制品时有许多困难。另外在某些场合，需要将炭材料与炭材料或金属、陶瓷进行连接。而现在常用的连接技术，如螺栓连接、铆接、焊接等，由于在材料表面打孔或局部加热而造成材料的局部性能劣化，在使用过程中极易因应力集中而导致断裂，造成原材料的浪费、成本的提高；固态钎焊技术虽实现了连接界面的整体承受载荷，但惰性的石墨材料与钎料间存在物理、化学相容性等问题，钎料的选择不易，工艺复杂，对设备的使用有一定的要求。而使用粘接技术，具有工艺简单、施工方便、价格低廉、使用范围广、因粘接界面整体承受载荷而使承载能力提高，使用寿命延长等优点，并且可根据使用要求的变化，调整粘结剂的组成或配比。随军事、航空航天、核工业等行业的发展，炭材料在高温领域的应用越来越多，国际上各个国家竟相开发研制应用于炭材料的高温粘结剂。主要研究高温陶瓷材料的美国阿累姆柯产品公司(Amerco.Products.Inc.)，其生产的超高温粘结剂(ultratemp adhesive)是一种使用温度达2427℃的高温粘结剂，但其固化温度高达593℃。俄罗斯国家石墨结构研究院已开发出10多个品种的高温粘结剂，用于生产和修理石墨，实现炭-炭复合材料，炭与金属，金属与金属的连接。其所生产的UzMK系列胶虽实现了室温固化，但固化时间长达数天，且耐热温度不超1000℃；U M K系列胶虽能在保护气下于1300-1600℃下工作，但仍需在1-2个大气压下固化3天，且高温强度较低。日本大谷杉郎利用COPNA树脂为原料制备的高温粘结剂粘接处理后的炭素材料，具有较高的耐热温度和粘接强度，但COPNA树脂价格昂贵，成本较高，且粘结工艺复杂，需要进行等离子溅涂等表面处理以及要在1000℃高温长时间炭化处理。作者曾以酚醛树脂和碳化硼(B4C)为原料配制出耐热1000℃以上的高温粘结剂，但由于碳化硼(B4C)在高温阶段反应生成的氧化硼(B2O3)，在1000℃以上粘度降低，挥发性增强，影响了经历高温处理后的粘接件胶层结构的致密性，不利于高强度的保持。本专利技术的专利技术目的是提供一种能使粘接件耐热温度高的，连接强度高且成本低的炭材料粘结剂。本专利技术的高温粘结剂组成为有机树脂和碳化硼(B4C)、超细二氧化硅(SiO2)，其重量份数比范围为有机树脂∶碳化硼(B4C)∶二氧化硅(SiO2)=100∶(25-75)∶(3-10)。有机树脂炭化后的残炭率介于45-75％，碳化硼(B4C)的粒度范围为2.5-65μm，纯度介于(85-94)％，超细二氧化硅(SiO2)的粒度范围为20-50μm。上述的有机树脂是甲阶酚醛树脂或呋喃树脂。本专利技术的粘结剂制备方法是将有机树脂与碳化硼(B4C)、超细二氧化硅(SiO2)按上述比例混合均匀，即可得到高温粘结剂。本专利技术的粘结剂使用步骤如下(1)将炭材料待粘接面清洗干净，干燥，在粘接面上双面涂胶，晾置片刻(以挥发溶剂)后粘合；(2)根据选用树脂，将初粘制品从室温缓慢升温固化，并在固化温度恒温2小时，然后加热到200℃深处理1-2小时；(3)将粘接固化制品以2-8℃/min的升温速率升温至不同的高温使用环境中进行高温热处理。本专利技术的粘结剂与现有技术相比具有如下优点1.原料易得，选择范围宽，调制方便，成本低廉。2.初粘力强，工艺简单，施工方便，对设备要求不高。3.粘接界面整体均匀受力，使承载能力提高，使用寿命延长。4.粘接强度高，导电性能优良，耐热温度达到2550℃以上。5.该粘结剂的热胀系数小，抗热震性能良好。6.本专利技术可用于残破炭制品的粘涂修复，提高炭制品的使用率，降低原材料的损耗，节约成本。7.因改性填料为具有抗氧化性质的陶瓷，故粘接部位具有一定的抗氧化功能。本专利技术的实施例如下实施例1(1)称取100份甲阶酚醛树脂(残炭率53％，粘度为0.8-1.5Pa·S)，75份碳化硼(B4C)(53-63μm，纯度94％)，3份超细二氧化硅(SiO2)混合，搅拌均匀，得到高温粘结剂。(2)以核反应堆用高强垛体石墨(粗粒度石墨)为粘接材料。对待粘接石墨表面进行清洗，干燥，双面涂胶后，晾置，粘合。(3)将初粘石墨从室温1小时升到100℃，以0.5℃/min升温至160℃固化1小时，再加热到200℃深固化2小时。(4)将粘接件在马弗炉和真空电阻炉中以2℃/min的升温速率加热到800℃、900℃、1000℃、1200℃、1500℃。经历高温环境后的粘接样品粘接强度高，导电性能良好，其高温热处理后的室温粘接强度如表1所示，室温导电性能如表2所示。实施例2(1)称取100份甲阶酚醛树脂(残炭率53％，粘度为0.8-1.5Pa·S)，75份碳化硼(B4C)(53-63μm，纯度94％)，6份超细二氧化硅(SiO2)混合，搅拌均匀，得到高温粘结剂。(2)按实施例1中的步骤(2)、(3)、(4)对石墨材料进行粘接并升温至不同温度的高温。经历高温环境后的粘接样品粘接强度高，导电性能良好，其高温热处理后的室温粘接强度如表1所示，室温导电性能如表2所示。实施例3(1)称取100份甲阶酚醛树脂(残炭率53％，粘度为0.8-1.5Pa·S)，75份碳化硼(B4C)(53-63μm，纯度94％)，9份超细二氧化硅(SiO2)混合，搅拌均匀，得到高温粘结剂。(2)按实施例1中的步骤(2)、(3)、(4)对石墨材料进行粘接并升温至不同温度的高温。热处理后的粘接样品粘接强度高，导电性能良好，其高温热处理后的室温粘接强度如表1所示，室温导电性能如表2所示。表1粘接样品经历高温环境后的粘接强度 表2粘接样品在经历高温热处理后的导电性能(mΩ) 注因胶层的厚度测量不易，且误差较大，表2所列为10×10×10mm3石墨样品块粘接接头的测试电阻值。实施例4(1)称取100份甲阶酚醛树脂(残炭率46.5％，粘度为0.8-1.5Pa·S)，50份碳化硼B4C(2.5-3.5μm，纯度85％)，5.8份超细SiO2搅拌混合均匀，得到高温粘结剂。(2)以高强高密高纯石墨(细粒度石墨)为粘接材料。对待粘接石墨表面进行清洗，干燥，双面涂胶后，晾置，粘合。(3)将初粘石墨从室温1小时升到100℃，以0.5℃/min升温至160℃固化1小时，再加热到200℃深固化2小时。(4)将粘接件在马弗炉和真空电阻炉中以4℃/min的升温速率加热到200℃、800℃、1000℃、1200℃、1500℃。经历高温后的粘接样品耐热温度高，粘接强度大。200℃加热处理后粘接部位的连接强度高于基体石墨的强度，测试表现为被粘基体石墨破坏。经历其他温度热处理后的室温粘接剪切强度详见表3。实施例5(1)称取100份甲阶酚醛树脂(残炭率46.5％，粘度为0.8-1.5Pa·S)，50份碳化硼(B4C)(2.5-3.5μm，纯度85％)，5.8份超细SiO2搅拌混合均匀，得到高温粘结剂。(2)按实施例4中的步骤(2)、(3)对石墨材料进行粘接和固化处理。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于粘接炭材料的粘结剂，其特征在于原料由炭化后的残炭率为４５－７５％的有机树脂，粒度为２．５－６５μｍ，纯度介于（８５－９４）％的碳化硼和粒度范围为２．５－６５μｍ的二氧化硅组成，各组成重量份数比为：有机树脂∶碳化硼∶二氧化硅＝１０ ０∶（２５－７５）∶（３－１０）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘朗，王继刚，郭全贵，宋进仁，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]