[發明專利]一種陶瓷粘合劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201410318194.X
• 申請日: 2014-07-04
• 公開（公告）號: CN104163635B
• 公開（公告）日: 2017-03-15
• 發明（設計）人: 陳海標;潘鋒
• 申請（專利權）人: 北京大學深圳研究生院
• 主分類號: C04B35/634
• 分類號: C04B35/634
• 代理公司: 深圳鼎合誠知識產權代理有限公司44281
• 代理人: 郭燕

技術領域

本申請涉及陶瓷領域，特別是涉及一種用于陶瓷的粘合劑及其制備方法。

背景技術

在高溫結構材料的應用中，新型陶瓷材料比高溫合金具有更高的熔點，更穩定的化學性質，以及在高溫下更優良的機械強度及抗蠕變性能。以碳纖維或陶瓷纖維增強的陶瓷基陶瓷復合材料比單純陶瓷具有更高的強度及韌性。同時，陶瓷材料的密度通常只有高溫合金密度的三分之一。在過去的幾十年里，新型陶瓷及其復合材料的制備工藝得到了長足的發展。在可預見的將來，用新型陶瓷及其復合材料替代高溫合金將會帶來一次由新材料的應用而推動的技術革命。新型陶瓷的應用領域將包括航空發動機高溫部件，航空航天結構組件，以及核燃料包覆材料。利用新型陶瓷復合材料替代高溫合金作為渦輪葉片等高溫部件，可以大幅提高航空發動機的燃燒溫度，提升發動機的燃油效率和功率。利用新型陶瓷復合材料作為可反復使用的外表隔熱結構，用于航天器再入大氣層時的高速飛行階段。利用碳化硅陶瓷替代鋯合金作為核燃料的包覆層，可以減少氫氣的產生，防止類似福島核電站的爆炸事故的發生。

但是，陶瓷材料是脆性的，通常只能通過模具一次成型成簡單的形狀，不能像金屬材料那樣進行多次后期加工。即使是韌性較好的陶瓷基復合材料也只有有限的可加工性。成型困難限制了陶瓷材料在很多領域的廣泛應用。通過粘結的方式，可以將多個簡單的陶瓷工件裝配成復雜的構件。目前，粘接陶瓷可以通過直接擴散粘接或者用熔化金屬作為粘接層，通常需要特殊的設備施加高壓及高溫。外加高壓可能會導致陶瓷工件變形或斷裂，尤其不適合粘接具有特殊形狀的工件。過高的溫度容易導致陶瓷復合材料中的陶瓷纖維性能變差。此外，以相異的材料尤其是金屬作為粘接層，在高溫使用中容易引發不同元素之間的化學反應而導致材料性質變化。總而言之，目前急需一種使用方便，處理工藝簡單，性能穩定的高溫陶瓷粘合劑。

發明內容

本申請的目的是提供一種新的用于陶瓷粘接的粘合劑，以及該粘合劑的制備方法。

為了實現上述目的，本申請采用了以下技術方案：

本申請的一方面公開了一種陶瓷粘合劑，陶瓷粘合劑主要由液態的有機硅聚合物和均勻分布于其中的陶瓷粉末構成，液態的有機硅聚合物可以通過催化劑、加熱或輻射方式發生交聯成固態。需要說明的是，本申請正是利用液態的尚未交聯的有機硅聚合物，在交聯后固化的特點，在液態有機硅聚合物中添加陶瓷粉末，制成陶瓷粘合劑；其中，有機硅聚合物在進一步的處理中會轉化為陶瓷，與添加其中的陶瓷粉末融為一體，而添加的陶瓷粉末正是需要粘合的陶瓷的粉末，使得陶瓷粘合劑與被粘合的陶瓷主體之間相互融合形成一體。

進一步的，有機硅聚合物交聯后，在真空或者惰性氣氛中，溫度范圍在800–1500攝氏度之間進行熱處理時，轉換為陶瓷的質量產率為60％以上。需要說明的是，本申請的陶瓷粘合劑在使用時，為了使有機硅聚合物轉化為陶瓷，還需要對其進行脫氫處理，使交聯固化后的有機硅聚合物轉換成陶瓷，以提高粘合的效果；其中脫氫的溫度在800攝氏度以上即可，具體的熱處理溫度根據被粘合的陶瓷的使用溫度而定，也就是說，熱處理溫度要大于陶瓷的使用溫度，但是又低于陶瓷的相變溫度，因此，本申請根據比較常規使用的陶瓷制品，優選的熱處理溫度為800–1500攝氏度之間。

進一步的，有機硅聚合物交聯后，在真空或者惰性氣氛中，溫度范圍在800–1500攝氏度之間進行熱處理時，轉換為陶瓷的質量產率為70％以上。需要說明的是，其中轉換為陶瓷的質量產率與有機硅聚合物中硅和碳的含量成正比，也就是說硅和碳含量越多質量產率越高，本申請的陶瓷粘合劑中，轉換為陶瓷的質量產率在60％以上的硅和碳含量的有機硅聚合物都可以滿足使用需求，而質量產率達到70％以上可以制備出效果更好的陶瓷粘合劑。

優選的，有機硅聚合物為聚硅碳烷、聚硅氮烷或聚硅氧烷中的至少一種；并且，聚硅碳烷、聚硅氮烷和聚硅氧烷中帶有烯丙基，或帶有乙烯基和硅氫基，或同時帶有烯丙基、乙烯基和硅氫基。

更優選的，有機硅聚合物為通式(a)、(b)、(c)任一項所示單體的聚合物；

其中，m和n均為正整數。可以理解，m和n分別表示所對應的“[]”內的基團的重復數；單體(a)是由m個“烯丙基-甲基硅”和n個“甲基-硅”連接組成的單體，單體(b)是由m個“乙烯基-甲基硅-氮烷”和n個“甲基硅-氮烷”連接組成的單體；而單體(c)則是由兩個單體組成，兩個單體任意方式排列聚合成聚合物，本申請中不做具體限定。

優選的，陶瓷粉末為碳化硅和/或氮化硅。