耐高温抗烧蚀可陶瓷化有机硅胶粘剂的制备与性能研究

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陶瓷材料及陶瓷基复合材料(CMC)具有强度高、耐高温、抗热震、耐烧蚀及耐磨性好等优异的性能是理想的高温结构材料。但陶瓷材料的高刚度和低延展性限制了它们在大尺寸和结构复杂的零部件上的应用,因而陶瓷材料的连接技术显得尤为重要。其中采用耐高温胶粘剂粘接陶瓷材料的技术最为方便有效,它能有效地克服陶瓷材料传统的连接技术中存在高空隙率、热膨胀系数不匹配、易产生应力集中及连接强度不高等问题。本课题研究了表面有机改性的TiB2陶瓷粉和低熔点玻璃粉改性甲基苯基硅树脂,制备能在高温有氧环境下直接对Al2O3陶瓷进行粘接的耐高温抗烧蚀可陶瓷化胶粘剂。本论文采用高能球磨法和偶联剂KH550对活性填料TiB2陶瓷粉进行表面有机改性,通过傅里叶红外图谱(FTIR)分析发现,改性后TiB2陶瓷粉在表面形成了有机包覆层;SEM结果显示改性后的TiB2颗粒在树脂基体分散均匀,与树脂基体的相容性更好;正交试验可知TiB2陶瓷粉表面有机改性的最佳工艺条件是:偶联剂KH550的浓度是2.5wt%,球磨转速为300r/min,球磨时间为3h;表面有机改性TiB2陶瓷粉的添加量为40wt%时胶粘剂在常温下的粘接强度最大为6.75MPa。将改性完的TiB2陶瓷粉填充到甲基苯基硅树脂中制备耐高温抗烧蚀可陶瓷化胶粘剂。TG-DSC分析结果可知,活性填料TiB2陶瓷粉能提高胶粘剂的热稳定性能。当活性填料TiB2陶瓷粉的含量为25wt%时,胶粘剂的起始分解温度从200℃提高到504℃,分解峰值温度从245℃提高到488℃,胶粘剂的陶瓷残留率从70wt%提高到102wt%。胶粘剂的粘接强度随温度增加先降低后增加,当温度超过600℃,甲基苯基硅树脂热裂解产物与活性填料TiB2发生可陶瓷化反应使粘接强度大幅度提高,胶粘剂在1200℃烧蚀后粘接强度达到24.33MPa,较常温下的粘接强度提高了17.58MPa。微观结构(SEM)分析结果显示,胶粘剂经烧蚀后形成了致密的陶瓷结构;对陶瓷结构进一步进行XRD、EDS元素分析和FTIR分析可知,有机硅胶粘剂经烧蚀后形成了以无定型SiO2为基体,难熔TiO2陶瓷粒子为增强相,熔融的B2O3为修复相的陶瓷基胶粘剂。加入低熔点玻璃粉作为第二填料,可以降低胶粘剂发生可陶瓷化反应的温度,提高胶粘剂在低温阶段的力学性能。分别添加玻璃粉A、B、C的胶粘剂在400℃时粘接强度为2.36、1.83和1.44MPa,而未添加玻璃粉的粘接强度仅为0.6MPa。微观结构分析可知,在800℃-1000℃阶段玻璃粉C对胶粘剂的微观结构影响更大,添加玻璃粉C的胶粘剂在高温烧蚀后的微观结构更加密实和完整。添加玻璃粉C的胶粘剂在800℃和1000℃的粘接强度分别为13.79MPa和18.25MPa,比添加玻璃粉A、B都要高。但是在1200℃时玻璃粉B的效果更好,粘接强度达到26.58MPa。从正交试验数据可知,在1200℃时对胶粘剂的粘接性能影响最大的因数是活性填料TiB2陶瓷粉的含量,其次是玻璃粉B的含量,然后才是玻璃粉C和玻璃粉A的含量,且混合填料的最佳填料比为活性填料TiB2:玻璃粉A:玻璃粉B:玻璃粉C=30:6:3:15,胶粘剂的粘接强度达到最大为54.27MPa。
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