碳材料高温胶接工艺及机理研究

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近年来,以石墨及C/C复合材料为代表的碳材料由于具有低密度、较好的导热性及抗热冲击性能以及较高的高温强度等特点,因而在航空航天、化工、冶金、核电等领域得到了广泛的应用。胶接方法由于具有廉价、操作简便等特点对碳材料有良好的连接效果,实现胶接接头在经受高温后保持有效连接具有重要的应用意义。本文分别采用B、B2O3及B4C作为主要无机填料对有机硅树脂进行改性获得高温胶粘剂,对石墨及C/C复合材料进行胶接并对接头进行高温热处理,重点研究了热处理工艺参数对接头组织及性能的影响,对接头组织演变过程及界面结合机制进行了深入分析。分别采用B、B2O3及B4C对有机硅树脂改性,对石墨进行胶接并对接头进行高温热处理,优化了填料配方,研究了不同热处理工艺参数对接头界面组成、结构以及性能的影响。高温热处理后胶层形成了由碳、B2O3、SiC及SiO2等组成的复合相蜂窝结构,界面处出现了含有较多Si元素的碳/玻璃/陶瓷复合相结合层。使用B2O3及B4C填料获得了较好的改性效果,其中B4C改性硅树脂胶接石墨接头经800℃、30min热处理后仍保留了5.5MPa的室温抗剪强度。采用B2O3对有机硅树脂改性,对C/C复合材料进行胶接并对接头进行高温热处理,优化了填料配方,研究了不同热处理工艺参数对接头界面组织结构以及性能的影响。高温热处理后胶层形成了由碳、B2O3、SiC及SiO2等组成的均匀复合相蜂窝结构,界面处为B2O3、SiC、残余碳以及硼硅酸玻璃组成的碳/玻璃/陶瓷复合相结合层。胶接接头经700℃热处理后获得了6MPa的室温抗剪强度。对胶接接头演变过程进行了研究,结果表明,高温胶接接头形成过程包括三个阶段:有机硅树脂首先在100℃以下发生交联固化,400℃-550℃时发生裂解,600℃以上填料与裂解产物作用形成高温接头。常温下胶层与碳材料基体的界面结合力主要包括树脂在基体“钉扎”获得的机械结合力、吸附作用和偶联剂“搭桥”作用产生的共价键。高温热处理后界面结合力包括玻璃相在基体表面“钉扎”获得的机械结合力以及化学键力,化学键力包括两个方面:B2O3及硼硅酸玻璃与基体表面碳原子层之间产生的B-C、Si-C共价键;胶层中SiC陶瓷相中的Si-C键与石墨结构中的C-C共价键之间结合,形成的(111)SiC//(0001)graphite紧密堆垛。
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