[发明专利]炭/炭复合材料粘结剂、粘结方法及炭/炭复合材料构件

说明书

技术领域

本发明涉及一种粘结剂及其用途，尤其涉及一种用于高温强酸碱腐蚀环境下的炭/炭复合材料粘结的粘结剂。

背景技术

石油、化工、制药、轻工等行业，有大量的设备(如：泵、管道、储罐、换热设备等)运行在高温强腐蚀环境下，在这些设备的服役过程中，腐蚀导致设备的使用寿命降低，维护成本增加，对长期安全可靠的生产造成严重影响。因此，迫切需要耐腐蚀性能良好的设备及材料，以解决强腐蚀性介质(如：浓盐酸、氢氟酸、硫酸、氯气、烧碱、硝酸、磷酸等)在运行过程中对设备造成的腐蚀、老化、耗能等众多问题。目前普遍使用的金属材料，因其抗腐蚀性能差、维护成本高而限制了其在上述设备中的应用。炭/炭复合材料则可克服上述问题。炭/炭复合材料整个体系均由碳元素构成，由于碳原子间具有极强的结合力，使得炭/炭复合材料无论在低温还是高温下均有良好的稳定性，不与腐蚀性介质(强酸、强碱)发生反应。炭材料高熔点属性赋予了炭/炭复合材料优异的耐热性，可以经受住2000℃左右的高温，是目前在惰性气氛中高温力学性能最好的材料。因此，以炭/炭复合材料制备高温耐腐蚀设备能够提高设备运行温度、提升效率、降低成本。

将炭/炭复合材料制备加工成石油、化工、制药、轻工等行业所需的设备，有许多结构、零件、部件需要进行连接。目前对于炭/炭复合材料的连接主要有机械连接、粘结连接、钎焊连接和扩散焊连接。炭/炭复合材料的机械连接主要采用难熔金属或者炭质螺栓、螺母进行紧固。机械紧固形成的连接接头在螺栓或者铆钉孔周围形成较大的应力集中，使得接头的抗剪切强度和抗压缩强度降低。钎焊和扩散焊连接需要在焊接层中引入硅、钛、锆等活性金属，增加焊料与炭/炭复合材料的润湿性、提高焊接强度，但是这些活性焊料易被强酸、强碱腐蚀，而且钎焊和扩散焊对设备要求高，操作不便。粘结连接工艺简单、施工方便、价格低廉、使用范围广且粘结界面整体承受载荷而使得承载能力提高。

文献“石国庆等，飞机炭刹车盘粘结修复技术研究，新型炭材料，2000，15(4)：62-64”报道了一种以有机胶为粘结剂，经固化、碳化和渗碳处理连接飞机刹车盘的方法。采用该方法制得的连接接头的强度达到了10.9MPa。但是有机胶在固化、碳化过程中会有较大程度的收缩，在连接接头处形成较大应力，降低接头连接强度，而且这种方法也仅限于飞机炭刹车盘的粘结修复。

中国专利“ZL99121262.2,一种耐热炭材料粘结剂及其使用方法”提出了以甲阶酚醛树脂为粘结剂，以碳化硼为改性剂的高温粘结剂，对石墨样品进行了粘结强度测试，经1500℃处理后其室温粘结强度最高达到了11.7MPa。中国专利“ZL01131682.9,一种室温固化型高温粘结剂”发明了以酚醛树脂或呋喃树脂为粘结剂，以碳化硼或碳化硼和二氧化硅混合物为改性剂的高强度粘结剂，最高经1200℃处理后室温粘结强度最高达到了17.1MPa。中国专利“ZL99123064.7，一种用于粘结炭材料的粘结剂”发明了一种以有机树脂为粘结剂，以碳化硼和二氧化硅为改性剂的高温粘结剂，最高经1500oC处理后室温粘结强度最高达到了17.3MPa。文献“王继刚等，炭材料的性质与炭-炭粘结性能关系的研究，材料科学与工艺，2003，11(4)：379-385”报道了以酚醛树脂和碳化硼、二氧化硅为原料按照一定比例配制成高温粘结剂，对石墨和炭/炭复合材料进行了连接。最高经1200℃处理后，炭/炭复合材料的连接强度最高达到了17.5MPa。上述粘结剂中均添加了碳化硼或碳化硼和二氧化硅的混合物。碳化硼和二氧化硅虽不溶于酸中，在高温下却会溶于强碱(二氧化硅溶于氢氟酸和热浓磷酸中)，而且碳化硼和二氧化硅的热膨胀系数较高，在高温粘结剂高温处理过程中会引起较大的残余应力，削弱连接强度。

中国专利“CN1803721，碳/碳复合材料的连接方法”提出了一种以无水乙醇为溶剂，以钨酚醛树脂为粘结剂，以六次甲基四胺为固化剂，并以钨粉作为填料配制而成的粘结剂，实现了对炭/炭复合材料的连接。该粘结剂经1500℃处理后连接强度最高达到了16.1MPa。在以钨酚醛树脂为基的粘结剂中添加钨粉(钨粉的热膨胀系数与碳/碳复合材料相近)，能够增强连接强度。但是在高温下，钨与盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸能起反应，这种高温粘结剂也不适用于高温腐蚀性环境中。

综上可知，现有碳/碳复合材料的粘结剂均难以充分满足高温强酸碱腐蚀环境下的应用要求。

发明内容