[发明专利]一种用于粘结炭材料的高温粘结剂及其制备和使用方法

说明书

技术领域

本发明属于一种高温粘结剂，具体地说，涉及一种用于炭材料粘接的高温粘结剂及其制备和使用方法。

背景技术

炭材料是通过有机物的热解，并进一步在高温下排除非碳元素所形成的含碳量很高的固体。炭材料具有比强度大、比模量高，导电导热性能好等许多突出的性能，因而在国民经济各个部门得到越来越广泛的应用。尤为重要的是炭材料具有其他材料所无法比拟的特殊高温热物理性能，使其在高温、高技术材料应用领域的作用无可替代。例如炭材料常被用来制备高温部件如电极、发热体、加热器以及单晶炉热屏等。但炭材料本身特有的脆性使其在加工生产大尺寸或形状复杂的炭制品时多有不便。另外在某些场合，需要将炭材料与炭材料或金属、陶瓷等材料相互进行连接。而现在常用的连接技术，如铆接、螺接等，由于需要在材料表面打孔，因而会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，而且这两种连接方式只是机械地连接，接触表面由于相互摩擦而产生磨损、松动，应用同样受到限制。焊接技术虽然可实现连接界面的整体承受载荷，但惰性的炭材料与焊料之间的相容性较差，因而连接强度并不是很理想，并且还存在焊料选择不易、工艺复杂和对设备的使用有特殊要求等现实问题。而使用粘接剂将炭材料及其部件进行有效连接，依靠粘接面整体承受载荷而使承载能力提高，具有工艺简单、施工方便，价格低廉、使用寿命长等优点，并且可根据材料类型和使用环境等的变化，调整粘结剂的组成及配比，因而使用范围广泛。

能够对炭材料进行有效粘结的高温粘结剂包括无机粘结剂和有机粘结剂两大类：无机粘结剂虽然能在高温下工作，但由于其粘接强度较低，对粘接接头有特殊的要求，一般需采用套接、槽接等特殊的接头形式。有时还需要进行机械加固，在结构部件的连接中受到诸多的限制。同时，由于无机粘结剂的热、电、磁等性能与炭材料性能相差很大，因存在热应力而容易使材料的粘接部位破坏，而且影响炭材料的导热、导电性能。有机粘结剂一般使用温度局限在200～300℃，不能满足炭材料多用于1000℃以上高温领域应用的要求。但利用有机物炭化后的残碳和被粘接炭材料在物理化学性质上的相容性等，使得有机粘结剂成为炭材料用高温粘结剂的重要类型。如果将无机胶的耐温性与有机胶的结构多样、易于改性结合起来，研制出复合型粘结剂，则有可能实现炭材料在高温下地高效粘接，并可通过改变粘结剂组成及配比调节粘结剂性能，以实现高温粘接后仍具有良好的导电、导热性能，充分发挥炭材料在高温时优异的热物理性能，对推动和拓展炭材料进一步的应用起到积极的作用。

随军事、航空航天和核工业等行业的快速发展，炭材料在高温领域的应用越来越多。因此，研究和开发炭材料用新型高温粘结剂具有十分重要的社会效益和现实意义。到目前为止，国内外科研工作者在开发炭材料用高温粘结剂方面进行了一些探索，取得了一些研究成果。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，可实现炭-炭复合材料、炭与金属等的连接。美国阿累姆柯公司开发出一种使用温度达2427℃的高温粘结剂，其固化温度高达593℃。日本大谷杉郎利用COPNA树脂为原料制备的高温粘结剂粘接的炭材料在加热到2000℃以上时其粘结强度还能保持在20MPa以上，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过程。申请号为99121262.2的专利用甲阶酚醛树脂为基体材料，通过添加碳化硼进行化学改性，研制得到一种有机高温粘结剂。申请号为99123064.7的专利通过向由炭化后残炭率为46-76％的有机树脂中添加碳化硼和二氧化硅，研制得到一种用于粘结炭材料的高温粘结剂。申请号为200610041656.3的专利以钨酚醛树脂为基体树脂，用六次甲基四胺作为固化剂，使炭-炭复合材料得以很好连接。申请号为00113381.0的专利以硼改性酚醛树脂为基料，以超细碳黑粉为主要填料研制得到一种耐高温特种粘接剂，克服了铆接和螺接等机械连接造成的摩擦、磨损以及传统有机胶不能持久耐高温、无机胶与粘接基体相容性差等缺点，保证了粘结后的炭材料的各种优越性能。

综上所述，目前炭材料用高温粘结剂中，国外产品要么技术配料保密，要么用到COPNA等昂贵的树脂；国内产品要么用到成本较高的钨酚醛树脂或硼酚醛树脂，其合成过程较为繁琐和复杂，质量稳定性难以保证，要么要用碳化硼等昂贵陶瓷颗粒进行改性。总之，研制的高温粘结剂的成本均较高，不利于工业化推广。因此，研制开发制备工艺简单、价格低廉且粘结效果良好的炭材料高温粘结剂仍然迫在眉睫。

发明内容