專利名稱：用于炭材料連接的粘接劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種以改性酚醛樹脂為基料，以超細碳黑粉為主要填料的耐高溫特種粘接劑、其制備方法及其在碳素材料和C/C復合材料等炭材料連接中的應用。
碳素材料是通過有機物的熱解，并進一步在高溫下排除非碳元素所形成的含碳量很高的固體；C/C復合材料是以碳為基體的碳纖維或石墨纖維增強的材料。碳素材料和C/C復合材料因具有許多特殊性能，在國民經濟各個部門，既可以作結構材料又可以作功能材料，得到越來越廣泛的應用，尤其是在高溫、高技術材料應用領域，其特殊性能是其他材料無法比擬的，因此研究和開發碳素材料及C/C復合材料具有很重要的社會效益和經濟效益，它們之間的連接也是研究和開發重要方面之一。粘接是一種簡單、易行的方式，但是各種有機粘接劑難以在高溫下持久工作；無機耐高溫陶瓷粘接劑雖然能在高溫下工作，但是由于它們的熱、電、磁等性能與碳素材料及C/C復合材料性能相差很大，因存在熱應力而使材料的粘接部位破壞，而且影響碳素材料及C/C復合材料優越的導熱、導電性能，有的甚至與碳發生反應形成層間化合物，破壞材料的結構。因此普通粘接會限制和影響碳素材料和C/C復合材料的廣泛使用和獨特性能，甚至產生結構破壞。通常它們之間的連接是采用螺接和鉚接的方式，但是這兩種方式只是機械地連接，接觸表面由于相互摩擦而產生磨損、松動，應用同樣受到限制。
本發明的目的是采用新的配方、新的工藝來實現碳素材料或C/C復合材料之間的連接，保證它們的粘接部位在高溫條件下有一定的強度，而導熱導電等使用性能不受(或少)受影響。
本發明的技術方案描述如下(1)改性酚醛樹脂的制備酚醛樹脂是由酚類(苯酚、甲酚、二甲酚等)和醛類(甲醛、乙醛、糠醛等)，在酸或堿催化劑作用下合成的聚合物。本發明中的改性酚醛樹脂是由硼改性苯酚和甲醛(37％溶液)等在堿催化劑作用下合成的，其配方中硼改性苯酚/甲醛摩爾比為1/1.5-1/3.5之間，最好在1/2.4-1/2.8之間，制備方法為先加入全部的硼改性苯酚和甲醛總量的40-60％，水浴加熱，水溫保持95℃，攪拌反應45-55分鐘，再加入余下的全部甲醛，同時加入40％NaOH溶液，將反應液PH值調至＞7，繼續在上述條件下攪拌反應充分，大約40分鐘左右，再自然冷卻至室溫即為改性酚醛樹脂，在室溫下，其為粘稠狀溶膠，溶于無水乙醇等。采用蒸發法測得該廢性酚醛樹脂含固量為50-55％。
(2)粘接劑的制備用無水乙醇(化學試劑)稀釋改性酚醛樹脂溶膠[它們體積比＝(1.5-2.5)/5]，再加入碳黑粉作填料，碳黑粉/改性酚醛樹脂＝3-28％，作為碳素材料或C/C復合材料粘接表面的初始粘膠劑。初始粘膠劑固化和碳化后的產物作為最終粘結劑。
(3)連接方法試樣制備碳素材料或C/C復合材料試樣的接合表面要用細砂紙磨平，保證接合面之間完全接觸，然后用無水乙醇清洗和脫脂處理，再在烘箱中110-130℃下烘干備用。
試樣涂刷初始粘膠劑在烘干了的試樣表面刷涂初始粘膠劑1-4次，其刷涂方法是前一次刷涂的初始膠粘劑涼干后，再刷后一次；刷涂好的試樣涼干后，把它們接合在一起，用夾具夾緊；接合把上了夾具的試樣放入電阻爐中，使初始粘膠劑在130-150℃空氣中固化1-2小時，形成有一定接合強度的粘接樣；然后再把粘接樣放入有氬氣保護的固化爐(或真空爐，真空度≥20Pa)中炭化；700-1100℃或更高溫度保溫1-2小時，通過接合面之間炭化產物的擴散使試樣粘接起來。
本發明的優點在于采用這種連接技術可使接合面達到一定程度的原子結合，保證連接有一定的強度。克服了鉚接和螺接等機械連接造成的摩擦、磨損等缺點，又克服了傳統有機膠不能持久耐高溫、無機陶瓷膠與粘接基體相容性差等缺點，能保證碳素材料和C/C復合材料的各種優越性能基本上不受影響、使用不受限制。此外，本發明工藝簡單，成本低廉。可以解決碳素材料和C/C復合材料之間連接和修補等問題，給碳素材料和C/C復合材料的實際科研和生產帶來了方便，有較好的社會效益和經濟效益。
實施例可進一步說明本發明使用詳情實施例1粘接劑的制備粘接劑制備分為兩步，首先用水浴加熱制備改性酚醛樹脂，其方法是在攪拌下加入52.3g 90％改性苯酚和41.1g 36.5％甲醛溶液，升溫至95℃，保溫攪拌反應50分鐘。然后加入57.5g 36.5％甲醛溶液，并用40％NaOH溶液，將反應液PH值調至7-9之間，在95℃繼續攪拌反應40分鐘，自然冷卻至室溫即為改性酚醛樹脂；然后用無水乙醇稀釋該改性酚醛樹脂(體積比＝2/5)，再加入超細碳黑粉，加入量大約5-10％，充分攪拌均勻即可作為普通石墨材料粘接表面的初始粘膠劑。
普通石墨材料的連接普通石墨材料連接件分別按雙面抗剪強度、抗彎強度、沖擊強度等試驗要求加工成45×8×8，30×12×6，60×15×10大小。
用上述制備的初始粘膠劑涂覆在連接試樣的接合面上，重復涂覆操作3-4次，再在110-140℃溫度下固化1小時，然后放入有氬氣保護的固化爐中碳化，1100℃保溫2小時后隨爐冷卻。
普通石墨材料粘接后分別做雙面抗剪強度、抗彎強度、沖擊強度、導電性能等試驗，其結果如表1所示。
表1 普通石墨材料連接前、后性能測試
由表1可知普通石墨材料粘接前、后性能沒有多大變化，很接近，而且雙面抗剪強度略大，因此可認為接合界面強度能滿足普通石墨材料實際需要。
實施例2如實施例1制備改性苯酚/甲醛摩爾比＝1/2.6的改性酚醛樹脂，然后用無水乙醇稀釋該改性酚醛樹脂(體積比＝2/5)，再加入超細碳黑粉，加入量大約5％，充分攪拌均勻即可作為高強石墨材料粘接表面的初始粘膠劑。
高強石墨材料的連接高強石墨材料同樣分別按雙面抗剪強度、抗彎強度、沖擊強度等試驗要求加工成45×8×8，30×12×6，60×15×10大小。
用上述制備的初始粘膠劑涂覆在連接試樣的接合面上，重復涂覆操作3次，再在200℃以下溫度下固化1小時，然后放入有真空爐中(真空度15Pa)固化爐中炭化，1100℃保溫2小時后隨爐冷卻。
高強石墨材料粘接后分別做雙面抗剪強度、抗彎強度、沖擊強度、導電性能等試驗，其結果如表2所示。
表2高強石墨材料連接前、后性能測試
由表2可知高強石墨材料粘接前、后性能相差不大，而且抗彎強度和沖擊強度較大，因此可認為接合界面強度可以滿足高強石墨材料的實際需要。
實施例3如實施例1制備改性苯酚/甲醛摩爾比＝1/2.6的改性配合醛樹脂，然后用無水乙醇稀釋該改性酚醛樹脂(體積比＝2/5)，再加入超細碳黑粉，加入量大約5％，充分攪拌均勻即可作為C/C復合材料粘接表面的初始粘膠劑。
C/C復合材料的連接C/C復合材料也分別按雙面抗剪強度、抗彎強度、沖擊強度等試驗要求加工成45×8×8，30×12×6，60×15×10大小。
用上述制備的初始粘膠劑涂覆在連接試樣的接合面上，重復涂覆操作4次，再在150℃溫度下固化2小時，然后放入有氬氣保護的固化爐中炭化，900℃保溫2小時后隨爐冷卻。
C/C復合材料粘接后分別做雙面抗剪強度、抗彎強度、沖擊強度、導電性能等試驗，其結果如表3所示。
表3 C/C復合材料連接前、后性能測試
由表3可知C/C復合材料粘接后性能可以滿足C/C復合材料修補需要。
權利要求
1.用于炭材料連接的粘接劑，其特征在于(1)改性酚醛樹脂的制備酚醛樹脂是由酚類(苯酚、甲酚、二甲酚等)和醛類(甲醛、乙醛、糠醛等)，在酸或堿催化劑作用下合成的聚合物。本發明中的改性酚醛樹脂是由硼改性苯酚和甲醛(37％溶液)等在堿催化劑作用下合成的，其配方中硼改性苯酚/甲醛摩爾比為1/1.5-1/3.5之間，最好在1/2.4-1/2.8之間，制備方法為先加入全部的硼改性苯酚和甲醛總量的40-60％，水浴加熱，水溫保持95℃，攪拌反應45-55分鐘，再加入余下的全部甲醛，同時加入40％NaOH溶液，將反應液PH值調至＞7，繼續在上述條件下攪拌反應充分，大約40分鐘左右，再自然冷卻至室溫即為改性酚醛樹脂，在室溫下，其為粘稠狀溶膠，溶于無水乙醇等。采用蒸發法測得該廢性酚醛樹脂含固量為50-55％。(2)粘接劑的制備用無水乙醇(化學試劑)稀釋改性酚醛樹脂溶膠[它們體積比＝(1.5-2.5)/5]，再加入碳黑粉作填料，碳黑粉/改性酚醛樹脂＝3-28％，作為碳素材料或C/C復合材料粘接表面的初始粘膠劑。初始粘膠劑固化和碳化后的產物作為最終粘結劑。(3)連接方法試樣制備碳素材料或C/C復合材料試樣的接合表面要用細砂紙磨平，保證接合面之間完全接觸，然后用無水乙醇清洗和脫脂處理，再在烘箱中110-130℃下烘干備用。試樣涂刷初始粘膠劑在烘干了的試樣表面刷涂初始粘膠劑1-4次，其刷涂方法是前一次刷涂的初始膠粘劑涼干后，再刷后一次；刷涂好的試樣涼干后，把它們接合在一起，用夾具夾緊；接合把上了夾具的試樣放入電阻爐中，使初始粘膠劑在130-150℃空氣中固化1-2小時，形成有一定接合強度的粘接樣；然后再把粘接樣放入有氬氣保護的固化爐(或真空爐，真空度≥20Pa)中炭化；700-1100℃或更高溫度保溫1-2小時，通過接合面之間炭化產物的擴散使試樣粘接起來。
全文摘要
本發明涉及一種以改性酚醛樹脂為基料,以超細碳黑粉為主要填料的耐高溫特種粘接劑,其特征在于:配方中硼改性苯酚/甲醛摩爾比為1/1.5—1/3.5之間,最好在1/2.4—1/2.8之間,制備方法為先加入全部的硼改性苯酚和甲醛總量的40—60%,本發明的優點在于:能保證碳素材料的C/C復合材料的各種優越性能,克服了鉚接和螺接等機械連接造成的摩擦、磨損以及傳統有機膠不能持久耐高溫、無機陶瓷膠與粘接基體相容性差等缺點。
文檔編號C09J161/00GK1269390SQ0011338
公開日2000年10月11日 申請日期2000年4月21日 優先權日2000年4月21日
發明者劉檳, 蔣建純, 熊翔, 易茂中, 劉根山, 黃伯云 申請人:中南工業大學