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一种新型陶瓷用耐高温胶粘剂的研制与性能研究

来源:北京航空航天大学物理科学与核能工程学院  作者:*  日期:2013-3-1
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  【摘要】用有机硅树脂、KH560改性的纳米SiO2改性,并用无机填料(铝粉、玻璃粉、碳化硼)增强环氧树脂基体,制备了一种用于Al2O3陶瓷的新型耐高温胶粘剂。红外和热重分析表明,胶粘剂可在65℃固化,且耐热性较好。通过正交试验,优化了各原料的配比,根据优化配比制备的耐高温胶粘剂可使Al2O3陶瓷接头在经过1000℃高温处理后,剪切强度达到9.68 MPa。
  [关键词]耐高温胶粘剂;陶瓷材料;压剪强度
  当Al,GP及B4C的配比为3∶4∶3时,胶粘剂性能较优。玻璃粉在升温过程中熔成液态,可填补微裂纹,同时协调高温热膨胀。Al粉在高温下,可生成Al2 O3作为耐热增强相。B4 C的有无对结果的影响很大,这是因为到高温800℃以上时,有机硅树脂和环氧树脂分解出的CO,H2O等小分子能与B4 C发生如式(1)和(2)的反应[9],将分解出的小分子转化成无定形C留在胶层中,增加了热稳定性,而生成的B2O3在高温下为熔融态,可调整填料的分布以达到均匀分散,并能填补胶层在高温条件下出现的空隙、裂纹等缺陷。

  B4 C(s)+6CO(g)=2B2O3(l)+7C(s)(1)
  B4 C(s)+6H2O(g)=2B2O3(l)+C(s)+6H2(g)(2)
  此外,在高温1000℃,部分B2O3与Al粉氧化生成的Al2O3及陶瓷接头中含有的Al2O3发生如式(3)—(5)的反应[10],生成复杂化合物,复杂化合物能极大地增强胶层与陶瓷接头的结合力,使得破坏接头需要更高的能量,因而填料用量的增加可大大提高高温粘接强度。

  4Al+3O2=2Al2O3(3)
  2Al2O3+B2O3→2Al2O3·B2 O3(4)
  2(2Al2O3·B2 O3)+5Al2O3→9Al2O3·5B2 O3(5)
  树脂胶体与填料的配比为4∶6时,胶粘剂的性能较优。在高温1000℃,树脂胶体已经裂解,此时主要依靠无机填料与树脂残余物以及陶瓷表面间发生相互反应形成增强相、复杂化合物等来提高粘接力,所以填料用量比树脂胶体多时,胶粘剂的高温剪切强度较好。

  上述优化的实验方案与正交实验第2组相同。用此胶粘剂粘接的陶瓷接头,经过1000℃高温处理后的剪切强度仍有9.68 MPa,可见其耐高温性能优良。

  2.4失效模式分析
  粘接接头的失效模式可定义为四种,即粘接层失效、界面层失效、混合失效、被粘接基体失效[16],如图4所示。用优化配比的胶粘剂粘接陶瓷接头,其失效模式如图5所示,明显可见断裂面由胶层延伸到了陶瓷基体中,属于混合失效模式。这是由于高温下,胶层中的无机填料与陶瓷基体之间发生了相互反应,形成了较强的化学键合,其强度大于陶瓷基体的断裂强度,因而部分断裂发生在了陶瓷基体中。

  3·结论
  1)以二甲苯作为溶剂,在硅烷偶联剂KH560的作用下,有机硅树脂和纳米SiO2成功改性了环氧树脂。添加Al,B4C和GP无机填料后,在催化剂二月桂酸二丁基锡和固化剂低分子聚酰胺650作用下,制备出能在65℃下固化的新型耐高温胶粘剂。

  2)热重分析表明,有机硅树脂和纳米SiO2的加入很大地提高了胶粘剂的耐热性,热分解5%温度提高了56.5℃,且800℃的热失重剩余量达50%。

  3)优化的配比为:有机硅树脂与环氧树脂质量比9∶1,KH560改性的纳米SiO2占树脂总质量的3%,填料Al,GP和B4C质量比3∶4∶3,树脂胶体与填料质量比4∶6。用优化方案制备的耐高温胶粘剂可使Al2 O3陶瓷接头在经过1000℃高温处理后,剪切强度达到9.68 MPa,失效模式为混合失效模式。【完】
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