一種納米粒子改性粘結(jié)劑、制備方法及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高溫粘結(jié)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種納米粒子改性粘結(jié)劑、制備方法及使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]有機(jī)硅樹(shù)脂以其優(yōu)異的性能，在高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料粘結(jié)領(lǐng)域受到廣泛重視。有機(jī)硅主鏈為S1-0-Si鍵，具有很高的鍵能和離子傾向，側(cè)鏈為有機(jī)基團(tuán)，因而兼具有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的特點(diǎn)，不僅具有優(yōu)異的耐熱性能，而且在60?1200°C范圍內(nèi)能夠保持其理化性能基本不變。但是有機(jī)硅樹(shù)脂性脆、粘結(jié)強(qiáng)度低、固化溫度高，因此使用過(guò)程中需要進(jìn)行改性。在有機(jī)硅樹(shù)脂中填充無(wú)機(jī)物聚合物則可以對(duì)有機(jī)硅樹(shù)脂進(jìn)行改性，無(wú)機(jī)物聚合物能夠有效緩解體積收縮造成的內(nèi)應(yīng)力，提高粘結(jié)劑在高溫下的強(qiáng)度。但是填充無(wú)機(jī)聚合物提高材料剛性的同時(shí)會(huì)降低其韌性。
[0003]通過(guò)納米材料的特性以及實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，添加納米材料對(duì)有機(jī)硅樹(shù)脂進(jìn)行改性不僅能夠提尚材料的剛性，同時(shí)能夠提尚材料的初性。納米粒子在樹(shù)脂基體中能夠均勾的分散，當(dāng)樹(shù)脂基體受到?jīng)_擊時(shí)，剛性納米粒子的存在易于產(chǎn)生集中效應(yīng)而使其周?chē)w樹(shù)脂產(chǎn)生銀紋，同時(shí)粒子之間的基體也產(chǎn)生塑性變形，一方面銀紋和塑性變形能夠吸收沖擊能，另一方面剛性納米粒子使得銀紋受阻或鈍化，達(dá)到增加韌性的效果。隨著納米粒子尺寸的變小，粒子的比表面積增大，粒子與基體的界面變大，產(chǎn)生的銀紋和塑性變形就越大，從而吸收更多的沖擊能，增加韌性效果就會(huì)提高。因此如果將納米材料摻加在粘結(jié)劑中，在保證韌性效果的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高溫粘結(jié)強(qiáng)度將是巨大的技術(shù)進(jìn)步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種納米粒子改性粘結(jié)劑、制備方法及使用方法，該粘結(jié)劑使用范圍廣，可粘結(jié)同種或異種材料，不僅粘結(jié)強(qiáng)度大、耐熱性能好，同時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境中能保持理化性能基本不變。
[0005]本發(fā)明的目的主要是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明一種納米粒子改性粘結(jié)劑，包括粘結(jié)劑主體和納米填料，其特征在于，所述粘結(jié)劑主體包括:有機(jī)硅樹(shù)脂45-55wt.%，玻璃粉25-35wt.%和碳化硼粉15_20wt.% ；所述納米填料包括:以占所述粘結(jié)劑主體的重量比例計(jì)，納米招粉5-10wt.%，納米娃粉5-10wt.%和氧化招晶須l-2wt.%。
[0007]進(jìn)一步地，所述玻璃粉，粒度為400?500目，熔點(diǎn)為400?500°C ；
[0008]所述碳化硼粉，粒度為225?300目。
[0009]本發(fā)明一種納米粒子改性粘結(jié)劑的制備方法，包括粘結(jié)劑主體制備、納米填料制備及粘結(jié)劑的納米改性:
[0010](1)粘結(jié)劑主體制備:按粘結(jié)劑主體組分的配量原則稱取一定量的粘結(jié)劑主體組分，將所述有機(jī)硅樹(shù)脂放入廣口燒瓶中，并加入與所述有機(jī)硅樹(shù)脂等量的有機(jī)溶劑，水浴加熱、攪拌，直至所述有機(jī)硅樹(shù)脂全部溶解，其中，所述水浴加熱時(shí)不斷向廣口燒瓶中滴入所述有機(jī)溶劑，以剛好保持廣口瓶?jī)?nèi)溶液流動(dòng)性為準(zhǔn)；然后將所述玻璃粉和所述碳化硼粉加入所述廣口燒瓶中攪拌1?3小時(shí)，不斷滴入所述有機(jī)溶劑，使所述廣口燒瓶中所有物質(zhì)完全混合均勻，并且保證流動(dòng)性，然后置于通風(fēng)處儲(chǔ)存?zhèn)溆茫?br>[0011](2)納米填料制備:按納米填料組分的配量原則稱取一定量的納米填料組分，將所述納米鋁粉和納米硅粉放入去離子水中使其混合均勻形成混合溶液，加入占所述混合溶液重量0.5wt.%的六偏磷酸鈉作為分散劑，防止納米鋁粉和納米硅粉混合過(guò)程中產(chǎn)生沉降和凝聚，保證良好的均勻性，然后常溫?cái)嚢?小時(shí)、超聲振蕩后烘干備用；將所述氧化鋁晶須放入去離子水中，并加入偶聯(lián)劑溶液，超聲振蕩后烘干備用；
[0012](3)粘結(jié)劑的納米改性:將所述步驟(2)制備的納米填料加入到所述步驟(1)的粘結(jié)劑主體中，水浴加熱、攪拌及不斷滴入所述有機(jī)溶劑，1?3小時(shí)后，停止加入溶劑，繼續(xù)水浴加熱和攪拌直至溶液變粘稠，用玻璃棒剛好能挑起的狀態(tài)，所述粘結(jié)劑準(zhǔn)備完成。
[0013]進(jìn)一步地，所述偶聯(lián)劑溶液為:偶聯(lián)劑加入乙醇-水溶液中，按照偶聯(lián)劑占乙醇-水溶液重量百分比為0.2wt.%?lwt.%的配比進(jìn)行混合，調(diào)節(jié)pH為5.5?6.5 ;其中所述乙醇-水溶液中乙醇與水比例為1:1?2:1，所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑KH-540。
[0014]進(jìn)一步地，所述步驟(1)和所述步驟(3)中所述有機(jī)溶劑為二甲苯。
[0015]進(jìn)一步地，步驟⑴和步驟(3)水浴加熱溫度為60°C，所述步驟(2)所述超聲振蕩為30min，所述烘干溫度為80 °C。
[0016]本發(fā)明一種納米粒子改性粘結(jié)劑的使用方法，其特征在于，包括物體粘結(jié)、熱處理和 CVI (Chemical Vapor Infiltrat1n)沉積的步驟:
[0017](1)物體粘結(jié):砂紙磨平物體待粘結(jié)面后均勻刻槽，所述槽深度為0.5mm，并在酒精里超聲振蕩后烘干，然后將所述粘結(jié)劑勻涂于待粘結(jié)面上，兩物體待粘結(jié)面對(duì)接，同時(shí)左右錯(cuò)動(dòng)排除氣泡，用夾具固定；所述槽能夠增加基體表面的的孔隙或凹面，所述粘結(jié)劑滲入孔隙或凹面，一方面在界面區(qū)形成各種形式的嚙合結(jié)構(gòu)，另一方面形成“楔子”釘扎在本體材料中，增加粘接強(qiáng)度；
[0018](2)熱處理:將粘結(jié)后物體放入加熱爐中，在保護(hù)氣氛下以5°C /min?10°C /min的速率升溫至200°C保溫2小時(shí)，然后以5°C /min?10°C /min的速率升溫至1000°C保溫2小時(shí)；
[0019](3)CVI沉積:熱處理后的所述物體放入化學(xué)氣相沉積爐中，通入甲烷-丙烷混合氣體，控制溫度為1000?1500°C，壓力范圍為2K?5KPa，進(jìn)行氣相沉積。
[0020]進(jìn)一步地，步驟(2)中的所述保護(hù)氣氛為氬氣，流量為50ml/min?100ml/min。
[0021]進(jìn)一步地，所述的甲烷-丙烷混合氣體中甲烷與丙烷體積比為1:1?3:1。
[0022]本發(fā)明有益效果如下:
[0023]本發(fā)明提供的一種納米粒子改性粘結(jié)劑，通過(guò)在有機(jī)硅樹(shù)脂中填充納米鋁粉及納米硅粉等納米粒子來(lái)改性有機(jī)硅樹(shù)脂基體，同時(shí)提高材料的剛性、韌性和高溫粘結(jié)強(qiáng)度。本發(fā)明的粘結(jié)劑使用范圍廣，不僅可粘結(jié)同種的炭基材料和陶瓷基材料等，同時(shí)能夠?qū)惙N材料粘結(jié)在一起；本發(fā)明的粘結(jié)劑耐熱性能好，在長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境中能保持理化性能基本不變，在800°C環(huán)境下100小時(shí)后力學(xué)性能基本不變。
[0024]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分的從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在所寫(xiě)的說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，以下實(shí)施例僅用于解釋和說(shuō)明本發(fā)明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制。
[0026]本發(fā)明所述有機(jī)硅樹(shù)脂為正硅酸四乙酯，為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；
[0027]所述玻璃粉，粒度為400?500目，熔點(diǎn)為400?500°C，為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；
[0028]所述碳化硼粉，粒度為225?300目，為分析純標(biāo)準(zhǔn)；
[0029]所述的納米鋁粉，平均粒徑為50nm，純度為99.5% ;
[0030]所述的納米娃粉，平均粒徑為35nm，純度為99.9% ；
[0031]所述的氧化鋁晶須，平均直徑為lOOnm，平均長(zhǎng)度為50 μπι;
[0032]所述二甲苯、六偏磷酸鈉、甲烷和丙烷為分析純標(biāo)準(zhǔn)；
[0033]所述氬氣為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
[0034]實(shí)施例1
[0035]本發(fā)明制備的一種納米粒子改性粘結(jié)劑，其中粘結(jié)劑主體包括有機(jī)硅樹(shù)脂55wt.%，玻璃粉30wt.%和碳化硼粉15wt.%，其中納米填料包括:納米招粉10wt.%，納米娃粉10wt.%和氧化招晶須lwt.%。
[0036]該粘結(jié)劑的制備方法，包括以下步驟:
[0037]1)粘結(jié)劑主體制備:稱取55wt.%有機(jī)硅樹(shù)脂放入廣口燒瓶中，加入與有機(jī)硅樹(shù)脂等量的二甲苯作為溶劑，進(jìn)行60°C水浴加熱、攪拌，水浴加熱時(shí)，向廣口瓶中不斷滴入二甲苯以剛好保證廣口燒瓶?jī)?nèi)液體能夠流動(dòng)為準(zhǔn)；然后稱取30wt.%玻璃粉和15wt.%碳化硼粉加入所述的廣口燒瓶中攪拌2小時(shí)，使其完全混合均勻，期間不斷滴入二甲苯保證所述粘結(jié)劑主體的流動(dòng)性，然后置于通風(fēng)處儲(chǔ)存?zhèn)溆茫?br>[0038](2)納米填料制備:稱取占粘結(jié)劑主體總重量的10wt.%的納米招粉和10wt.%納米硅粉放入去離子水中攪拌均勻形成混合溶液，然后加入占所述混合溶液重量0.5wt.%的六偏磷酸鈉作為分散劑，防止納米鋁粉和納米硅粉混合過(guò)程中產(chǎn)生沉降和凝聚，保證良好的均勻性，然后常溫?cái)嚢?小時(shí)、超聲振蕩30min后，于80°C烘干備用；將硅烷偶聯(lián)劑KH-540加入到乙醇與水比例為1:1的混合溶液中稀釋，使偶聯(lián)劑占乙醇與水的混合溶液重量百分比為0.3wt.%，調(diào)節(jié)溶液pH為6.5，制得偶聯(lián)劑溶液，然后稱取占粘結(jié)劑主體總重量lwt.%的氧化鋁晶須與去離子水混合，并加入所述的偶聯(lián)劑溶液，超聲振蕩30min后，于80 °C烘干備用；
[0039](3)粘結(jié)劑的納米改性:將步驟(2)制備的納米填料加入到所述步驟(1)的粘結(jié)劑主體中，60°C水浴加熱、攪拌，期間不斷滴入二甲苯溶劑，2小時(shí)后，停止加入二甲苯，繼續(xù)水浴和攪拌直至溶液變粘稠，用玻璃棒剛好能挑起的狀態(tài)，完成粘結(jié)劑制備。
[0040]將制備的所述納米粒子改性粘結(jié)劑用于物體的粘結(jié)，其使用方法包括以下步驟:
[0041](1)物體粘結(jié):將物體待粘結(jié)面用200目SiC砂紙磨平后均勻刻深為0.5mm的槽，在酒精里超聲振蕩并烘干，將制備的粘結(jié)劑勻涂于待粘結(jié)面，物體粘結(jié)后左右錯(cuò)動(dòng)排除氣泡，用石墨夾具固定；所述槽能夠增加基體表面的的孔隙或凹面，所述粘結(jié)劑滲入孔隙或凹面，在界面區(qū)形成各種形式的嚙合結(jié)構(gòu)，由此而產(chǎn)生的界面機(jī)械作用力對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度有很重要的作用；另外由于槽的存在使表面有了一定的粗糙度，粘結(jié)劑流入并且置換出里邊的空氣，那么待粘結(jié)物體就能沿著彎曲的路徑緊密接觸，相當(dāng)于在本體材料中釘入一個(gè)“楔子”，起到良好的物理釘扎的效果，裂紋的擴(kuò)展途徑也因此發(fā)生扭曲，轉(zhuǎn)向粘結(jié)層內(nèi)，粘結(jié)層發(fā)生塑性變形，消耗大量的能量，從而使粘結(jié)劑強(qiáng)度表現(xiàn)得更高；
[0042](2)熱處理:物體粘結(jié)后放入管式爐中