酚醛樹脂基高溫膠粘劑的粘接特性研究.pdf

1、碳材料具有優(yōu)異的高溫性能，在高溫領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用。但碳材料固有的脆性使其在生產(chǎn)和加工大型或形狀復(fù)雜制品時(shí)將面臨極大的困難，粘接技術(shù)可有效解決上述難題。作為碳材料典型代表的石墨、碳/磁復(fù)合材料等不僅具有優(yōu)異的高溫?zé)嵛锢硇阅?，而且還具有良好的導(dǎo)電性。目前通常使用的高溫粘接主要依賴無機(jī)陶瓷型高溫膠粘劑，但其粘接強(qiáng)度低，導(dǎo)電性能不佳，不僅需要和螺栓等連接方式復(fù)合使用，且也不利于石墨等碳材料制品高溫下導(dǎo)電等性能的發(fā)揮。而有機(jī)型超高溫膠粘劑

2、，則可利用有機(jī)合成樹脂高溫下熱裂解衍生碳的性質(zhì)，并可通過填料的改性作用，使粘接制品/部件同時(shí)兼具良好的力學(xué)和導(dǎo)電等綜合性能。酚醛樹脂(PF)具有殘?zhí)剂扛?、熱穩(wěn)定性好、粘接強(qiáng)度高、易于改性等特性，其電導(dǎo)率可隨熱處理溫度不同而控制在(10-6～102)S·cm-1，是高溫下實(shí)現(xiàn)碳、石墨材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱等功能性連接的理想基體。但PF的高溫裂解會(huì)造成膠粘劑性能劣化，單獨(dú)的PF不能應(yīng)用于碳、石墨材料的粘接。在PF中添加陶瓷等改性物質(zhì)，通過熱處理過程

3、中的物理化學(xué)變化，可以提高膠粘劑的耐熱溫度、粘接強(qiáng)度以及導(dǎo)電性能。
　　 本論文以PF作為高溫膠粘劑的基體，利用其高溫碳化后的樹脂碳的性質(zhì)，以B4C、石墨粉為改性填料制備出高溫膠粘劑。利用改性膠粘劑對(duì)石墨、陶瓷進(jìn)行粘接，考察了高溫粘接性能。研究了PF膠粘劑高溫性能劣化原因及規(guī)律，探討了填料改性效果及改性機(jī)理。
　　 主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　 一、PF膠粘劑的高溫性能及裂解研究
　　 (1) PF膠粘

4、劑在低溫具有良好的粘接強(qiáng)度，隨溫度升高，其強(qiáng)度迅速劣化，至600℃左右力學(xué)性能降至谷底;當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，其力學(xué)性能又重新獲得小幅回升，力學(xué)性能隨溫度變化呈拋物線規(guī)律。
　　 (2)經(jīng)高溫處理后，PF將發(fā)生劇烈的裂解反應(yīng)，裂解造成PF體積收縮，內(nèi)部出現(xiàn)大量的孔洞、裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷，從而導(dǎo)致PF膠粘劑高溫粘接強(qiáng)度急劇下降。
　　 (3) PF電導(dǎo)率隨熱處理溫度升高而升高，在600～800℃間電導(dǎo)率發(fā)生突變。隨熱處理溫度升高，

5、PF逐漸裂解、碳化，由有機(jī)高分子向無機(jī)物轉(zhuǎn)變，PF的高溫裂解是PF膠粘劑電導(dǎo)率隨溫度提升的決定性因素。
　　 二、改性PF膠粘劑的力學(xué)性能及改性機(jī)理
　　 (1) B4C可以顯著改善PF的高溫粘接強(qiáng)度。400℃、600℃、800℃熱處理后，PF及B4C改性PF粘接石墨的剪切強(qiáng)度分別為:3.11～5.11，0.75～1.07，1.31～2.86 MPa和5.77～8.87,7.22～8.17,7.43～7.52 MPa。<

6、br>　　 (2) B4C的加入能抑制PF膠粘劑高溫?zé)崽幚磉^程中體積收縮，通過與PF裂解揮發(fā)分反應(yīng)將PF裂解揮發(fā)分轉(zhuǎn)變?yōu)樘急Ａ?，從而提高膠層結(jié)構(gòu)的完整性。此外，B4C在高溫氧化生成的B2O3不僅可以愈合PF裂解產(chǎn)生的孔洞、裂紋，還可以在粘接界面產(chǎn)生化學(xué)鍵合力，從而提高PF高溫膠粘接強(qiáng)度。
　　 (3) B4C、石墨復(fù)合改性PF高溫膠的強(qiáng)度隨溫度變化則呈正/余弦曲線規(guī)律，即600℃以下強(qiáng)度隨溫度升高迅速下降，600℃以上強(qiáng)度逐漸

7、回升，1200℃以上強(qiáng)度又開始下降。石墨粉的過量加入會(huì)對(duì)高溫膠粘接強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，質(zhì)量比為PF:B4C:石墨粉=100:75:25高溫膠力學(xué)性能最佳。
　　 三、改性PF膠粘劑的導(dǎo)電性能及改性機(jī)理
　　 (1) B4C在低溫階段（低于600℃）有利于PF基高溫膠粘劑導(dǎo)電性的提升，而在高溫階段其氧化產(chǎn)物B2O3的生成則對(duì)高溫膠的導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響。
　　 (2)石墨粉的加入能有效提高超高溫膠的導(dǎo)電性，高溫膠的電導(dǎo)

8、率隨石墨含量的提高而上升。
　　 四、粘接工藝優(yōu)化
　　 (1)粘合時(shí)，適當(dāng)?shù)奶岣弑徽澄锉砻娲植诙群驼辰訅毫τ欣谔岣哒辰訌?qiáng)度
　　 (2)熱處理升溫速率不宜過快，否則會(huì)對(duì)接頭強(qiáng)度和導(dǎo)電性能產(chǎn)生不利影響。
　　 (3) B4C能顯著改善PF高溫膠粘劑粘接強(qiáng)度，但其氧化產(chǎn)物B2O3會(huì)對(duì)膠粘劑高溫導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響。石墨粉能提高PF高溫膠粘劑的導(dǎo)電性能，但過量加入會(huì)對(duì)PF高溫膠的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。綜合考慮