CN1269390A - 用于炭材料连接的粘接剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以改性酚醛树脂为基料,以超细碳黑粉为主要填料的耐高温特种粘接剂,其特征在于:配方中硼改性苯酚/甲醛摩尔比为1/1.5—1/3.5之间,最好在1/2.4—1/2.8之间,制备方法为先加入全部的硼改性苯酚和甲醛总量的40—60%,本发明的优点在于:能保证碳素材料的C/C复合材料的各种优越性能,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、无机陶瓷胶与粘接基体相容性差等缺点。
Description
本发明涉及一种以改性酚醛树脂为基料,以超细碳黑粉为主要填料的耐高温特种粘接剂、其制备方法及其在碳素材料和C/C复合材料等炭材料连接中的应用。
碳素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;C/C复合材料是以碳为基体的碳纤维或石墨纤维增强的材料。碳素材料和C/C复合材料因具有许多特殊性能,在国民经济各个部门,既可以作结构材料又可以作功能材料,得到越来越广泛的应用,尤其是在高温、高技术材料应用领域,其特殊性能是其他材料无法比拟的,因此研究和开发碳素材料及C/C复合材料具有很重要的社会效益和经济效益,它们之间的连接也是研究和开发重要方面之一。粘接是一种简单、易行的方式,但是各种有机粘接剂难以在高温下持久工作;无机耐高温陶瓷粘接剂虽然能在高温下工作,但是由于它们的热、电、磁等性能与碳素材料及C/C复合材料性能相差很大,因存在热应力而使材料的粘接部位破坏,而且影响碳素材料及C/C复合材料优越的导热、导电性能,有的甚至与碳发生反应形成层间化合物,破坏材料的结构。因此普通粘接会限制和影响碳素材料和C/C复合材料的广泛使用和独特性能,甚至产生结构破坏。通常它们之间的连接是采用螺接和铆接的方式,但是这两种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。
本发明的目的是采用新的配方、新的工艺来实现碳素材料或C/C复合材料之间的连接,保证它们的粘接部位在高温条件下有一定的强度,而导热导电等使用性能不受(或少)受影响。
本发明的技术方案描述如下:
(1)改性酚醛树脂的制备
酚醛树脂是由酚类(苯酚、甲酚、二甲酚等)和醛类(甲醛、乙醛、糠醛等),在酸或碱催化剂作用下合成的聚合物。本发明中的改性酚醛树脂是由硼改性苯酚和甲醛(37%溶液)等在碱催化剂作用下合成的,其配方中硼改性苯酚/甲醛摩尔比为1/1.5-1/3.5之间,最好在1/2.4-1/2.8之间,制备方法为先加入全部的硼改性苯酚和甲醛总量的40-60%,水浴加热,水温保持95℃,搅拌反应45-55分钟,再加入余下的全部甲醛,同时加入40%NaOH溶液,将反应液PH值调至>7,继续在上述条件下搅拌反应充分,大约40分钟左右,再自然冷却至室温即为改性酚醛树脂,在室温下,其为粘稠状溶胶,溶于无水乙醇等。采用蒸发法测得该废性酚醛树脂含固量为50-55%。
(2)粘接剂的制备
用无水乙醇(化学试剂)稀释改性酚醛树脂溶胶[它们体积比=(1.5-2.5)/5],再加入碳黑粉作填料,碳黑粉/改性酚醛树脂=3-28%,作为碳素材料或C/C复合材料粘接表面的初始粘胶剂。初始粘胶剂固化和碳化后的产物作为最终粘结剂。
(3)连接方法
试样制备:碳素材料或C/C复合材料试样的接合表面要用细砂纸磨平,保证接合面之间完全接触,然后用无水乙醇清洗和脱脂处理,再在烘箱中110-130℃下烘干备用。
试样涂刷初始粘胶剂:在烘干了的试样表面刷涂初始粘胶剂1-4次,其刷涂方法是:前一次刷涂的初始胶粘剂凉干后,再刷后一次;刷涂好的试样凉干后,把它们接合在一起,用夹具夹紧;
接合:把上了夹具的试样放入电阻炉中,使初始粘胶剂在130-150℃空气中固化1-2小时,形成有一定接合强度的粘接样;然后再把粘接样放入有氩气保护的固化炉(或真空炉,真空度≥20Pa)中炭化;700-1100℃或更高温度保温1-2小时,通过接合面之间炭化产物的扩散使试样粘接起来。
本发明的优点在于:采用这种连接技术可使接合面达到一定程度的原子结合,保证连接有一定的强度。克服了铆接和螺接等机械连接造成的摩擦、磨损等缺点,又克服了传统有机胶不能持久耐高温、无机陶瓷胶与粘接基体相容性差等缺点,能保证碳素材料和C/C复合材料的各种优越性能基本上不受影响、使用不受限制。此外,本发明工艺简单,成本低廉。可以解决碳素材料和C/C复合材料之间连接和修补等问题,给碳素材料和C/C复合材料的实际科研和生产带来了方便,有较好的社会效益和经济效益。
实施例可进一步说明本发明使用详情:
实施例1
粘接剂的制备:粘接剂制备分为两步,首先用水浴加热制备改性酚醛树脂,其方法是:在搅拌下加入52.3g 90%改性苯酚和41.1g 36.5%甲醛溶液,升温至95℃,保温搅拌反应50分钟。然后加入57.5g 36.5%甲醛溶液,并用40%NaOH溶液,将反应液PH值调至7-9之间,在95℃继续搅拌反应40分钟,自然冷却至室温即为改性酚醛树脂;然后用无水乙醇稀释该改性酚醛树脂(体积比=2/5),再加入超细碳黑粉,加入量大约5-10%,充分搅拌均匀即可作为普通石墨材料粘接表面的初始粘胶剂。
普通石墨材料的连接:普通石墨材料连接件分别按双面抗剪强度、抗弯强度、冲击强度等试验要求加工成45×8×8,30×12×6,60×15×10大小。
用上述制备的初始粘胶剂涂覆在连接试样的接合面上,重复涂覆操作3-4次,再在110-140℃温度下固化1小时,然后放入有氩气保护的固化炉中碳化,1100℃保温2小时后随炉冷却。
普通石墨材料粘接后分别做双面抗剪强度、抗弯强度、冲击强度、导电性能等试验,其结果如表1所示。
表1 普通石墨材料连接前、后性能测试
双面抗剪强度/MPa | 抗弯强度/MPa | 冲击强率/J/cm2 | 电阻率/Ω·m | |
前 | 10.4 | 9.5 | 0.14 | 5.7×10-2 |
后 | 11.7 | 12.4 | 0.113 | 4.2×10-2 |
由表1可知:普通石墨材料粘接前、后性能没有多大变化,很接近,而且双面抗剪强度略大,因此可认为接合界面强度能满足普通石墨材料实际需要。
实施例2
如实施例1制备改性苯酚/甲醛摩尔比=1/2.6的改性酚醛树脂,然后用无水乙醇稀释该改性酚醛树脂(体积比=2/5),再加入超细碳黑粉,加入量大约5%,充分搅拌均匀即可作为高强石墨材料粘接表面的初始粘胶剂。
高强石墨材料的连接:高强石墨材料同样分别按双面抗剪强度、抗弯强度、冲击强度等试验要求加工成45×8×8,30×12×6,60×15×10大小。
用上述制备的初始粘胶剂涂覆在连接试样的接合面上,重复涂覆操作3次,再在200℃以下温度下固化1小时,然后放入有真空炉中(真空度15Pa)固化炉中炭化,1100℃保温2小时后随炉冷却。
高强石墨材料粘接后分别做双面抗剪强度、抗弯强度、冲击强度、导电性能等试验,其结果如表2所示。
表2高强石墨材料连接前、后性能测试
双面抗剪强度/MPa | 抗弯强度/MPa | 冲击强率/J/cm2 | 电阻率/Ω·m | |
前 | 17.3 | 26.5 | 0.15 | 4.6×10-3 |
后 | 12.9 | 13.9 | 0.12 | 5.8×10-3 |
由表2可知:高强石墨材料粘接前、后性能相差不大,而且抗弯强度和冲击强度较大,因此可认为接合界面强度可以满足高强石墨材料的实际需要。
实施例3
如实施例1制备改性苯酚/甲醛摩尔比=1/2.6的改性配合醛树脂,然后用无水乙醇稀释该改性酚醛树脂(体积比=2/5),再加入超细碳黑粉,加入量大约5%,充分搅拌均匀即可作为C/C复合材料粘接表面的初始粘胶剂。
C/C复合材料的连接:C/C复合材料也分别按双面抗剪强度、抗弯强度、冲击强度等试验要求加工成45×8×8,30×12×6,60×15×10大小。
用上述制备的初始粘胶剂涂覆在连接试样的接合面上,重复涂覆操作4次,再在150℃温度下固化2小时,然后放入有氩气保护的固化炉中炭化,900℃保温2小时后随炉冷却。
C/C复合材料粘接后分别做双面抗剪强度、抗弯强度、冲击强度、导电性能等试验,其结果如表3所示。
表3 C/C复合材料连接前、后性能测试
双面抗剪强度/MPa | 抗弯强度/MPa | 冲击强率/J/cm2 | 电阻率/Ω·m | |
前 | 10 | 65.5 | 1.25 | 7.8×10-2 |
后 | 12.7 | 16.6 | 0.2 | 9.3×10-2 |
由表3可知:C/C复合材料粘接后性能可以满足C/C复合材料修补需要。
Claims (1)
1.用于炭材料连接的粘接剂,其特征在于:
(1)改性酚醛树脂的制备
酚醛树脂是由酚类(苯酚、甲酚、二甲酚等)和醛类(甲醛、乙醛、糠醛等),在酸或碱催化剂作用下合成的聚合物。本发明中的改性酚醛树脂是由硼改性苯酚和甲醛(37%溶液)等在碱催化剂作用下合成的,其配方中硼改性苯酚/甲醛摩尔比为1/1.5-1/3.5之间,最好在1/2.4-1/2.8之间,制备方法为先加入全部的硼改性苯酚和甲醛总量的40-60%,水浴加热,水温保持95℃,搅拌反应45-55分钟,再加入余下的全部甲醛,同时加入40%NaOH溶液,将反应液PH值调至>7,继续在上述条件下搅拌反应充分,大约40分钟左右,再自然冷却至室温即为改性酚醛树脂,在室温下,其为粘稠状溶胶,溶于无水乙醇等。采用蒸发法测得该废性酚醛树脂含固量为50-55%。
(2)粘接剂的制备
用无水乙醇(化学试剂)稀释改性酚醛树脂溶胶[它们体积比=(1.5-2.5)/5],再加入碳黑粉作填料,碳黑粉/改性酚醛树脂=3-28%,作为碳素材料或C/C复合材料粘接表面的初始粘胶剂。初始粘胶剂固化和碳化后的产物作为最终粘结剂。
(3)连接方法
试样制备:碳素材料或C/C复合材料试样的接合表面要用细砂纸磨平,保证接合面之间完全接触,然后用无水乙醇清洗和脱脂处理,再在烘箱中110-130℃下烘干备用。
试样涂刷初始粘胶剂:在烘干了的试样表面刷涂初始粘胶剂1-4次,其刷涂方法是:前一次刷涂的初始胶粘剂凉干后,再刷后一次;刷涂好的试样凉干后,把它们接合在一起,用夹具夹紧;
接合:把上了夹具的试样放入电阻炉中,使初始粘胶剂在130-150℃空气中固化1-2小时,形成有一定接合强度的粘接样;然后再把粘接样放入有氩气保护的固化炉(或真空炉,真空度≥20Pa)中炭化;700-1100℃或更高温度保温1-2小时,通过接合面之间炭化产物的扩散使试样粘接起来。
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US7779767B2 (en) | 2004-08-04 | 2010-08-24 | Ibiden Co., Ltd. | Firing furnace and porous ceramic member manufacturing method |
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CN105668543A (zh) * | 2016-01-12 | 2016-06-15 | 天津工业大学 | 一种碳纳米管增强碳材料粘结强度的方法 |
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2000
- 2000-04-21 CN CN 00113381 patent/CN1269390A/zh active Pending
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