一种陶瓷与金属连接高导热耐火粘结剂及制备方法

本发明涉及一种陶瓷与金属连接高导热耐火粘结剂及制备方法。

背景技术：

1、回转窑是工业生产中是一种常见的高温焙烧装置，其工作温度可高达950-1200℃。由于高导热及易加工的优点，金属材料成为高温炉管的常用材料。物料在焙烧时经常会产生腐蚀性气氛，导致金属炉管壁减薄，严重的可能导致应力开裂，发生事故。

2、沸腾炉是工业生产中另一种常见的高温焙烧装置。其工作原理是将破碎到一定粒度的煤末与矿石用工艺风吹起，在炉膛的一定高度上呈沸腾状燃烧，矿石在沸腾状态下加热还原。天然煤中往往存在一定含量的硫化物，在高温下易挥发，给炉膛带来严重地高温硫腐蚀。

3、垃圾焚烧炉是焚烧处理垃圾的设备，垃圾在炉膛内燃烧，变为废气进入二次燃烧室，在燃烧器的强制燃烧下燃烧完全，再进入喷淋式除尘器，除尘后经烟囱排入大气。由于废气中气氛复杂，含腐蚀性氯气氛，在高温下会对炉膛造成严重的危害。

4、陶瓷材料具有耐高温、耐磨、耐腐蚀的优点，在解决高温炉管、炉膛的腐蚀问题中具有明显的优势。陶瓷与金属是两种不同的材料，它们的热膨胀系数相差很大，在连接时在界面处容易产生较大的界面应力，导致接头中容易出现裂纹，限制了陶瓷材料的应用。设计并开发具有梯度热膨胀系数的粘结剂材料可以为陶瓷和金属间的连接提供一个新的思路。

技术实现思路

1、为了解决陶瓷与金属材料高温连接问题，例如高温焙烧炉金属炉管与陶瓷贴片的连接，尤其在800-1500℃范围内因粘结剂高温性能不足造成陶瓷贴片脱落问题，本发明提供了一种陶瓷与金属连接高导热耐火粘结剂材料及制备方法。它以六方晶型sic纳米粉为骨料，硅酸铝、高岭土及耐腐蚀填料的混合粉为粉料，与水玻璃和适量无机固化剂按一定比例配制，在常温下交联固化形成固体。通过调整sic纳米粉的粒度和比例，可实现粘结剂在此温度范围内热膨胀系数的系统变化。通过设计粘结剂的梯度结构，实现粘结剂的热膨胀系数的梯度变化，降低陶瓷与金属间的因热膨胀系数差别引起的界面应力。

2、这种粘结剂材料不但具有粘结强度高、抗热震、阻燃、耐水、耐火、耐磨、耐腐蚀等优点，而且耐高温且导热效率高，可用于高达1500℃的焙烧炉管、沸腾炉膛、焚烧炉、高温烟道等工业场景中陶瓷内衬板的粘贴和填缝，尤其适于金属炉管内壁粘贴陶瓷衬板，可显著提高金属炉管和炉膛的高温耐磨蚀能力，使高温设备延寿。

3、原材料：

4、（1）骨料：骨料选用高能球磨法制备的六方晶型sic纳米粉为骨架，粒径为10-1000nm。粗细骨料要有良好的级配。sic粒度及含量直接影响耐火粘结剂的理化性能和技术指标。纳米sic粉末也可以采用其他常规制备纳米陶瓷粉方法获得。

5、（2）粉料：粉料为硅酸铝、高岭土及耐腐蚀填料的混合粉。混合粉采用常规机械研磨方法制备，硅酸铝（纯度＞95%）和高岭土混合粉的粒度2.6-10um。耐腐蚀填料为铝硅酸钠或铝硅酸钾，为化学分析纯试剂。粉料的技术指标为：含水率＜0.5％；不得混有不耐酸杂质。

6、（3）水玻璃：选用硅酸钾或硅酸钠水玻璃，密度约为1.35-1.45g/cm3，模数约为2.6-3.0。水玻璃模数和密度在范围内可根据施工现场的气侯、温度、湿度条件适当调整。

7、（4）固化剂：选用氟硅酸钠或五氧化二磷。氟硅酸钠纯度＞95％，含水率＜1％；五氧化二磷为化学分析纯试剂。

8、技术特点及用途：

9、该耐火粘结剂以高导热的六方晶型sic纳米粉为骨料，以硅酸钾或硅酸钠水玻璃为粘结剂，以氟硅酸钠或五氧化二磷为固化剂，与硅酸铝、高岭土及铝硅酸钠或铝硅酸钾的粉料组成无机粘结剂。与普通水玻璃粘结剂相比，该耐火粘结剂最高可耐1500℃高温，不但导热效率高，抗渗透性、耐热性、耐水性好，而且热膨胀系数随着sic的含量可系统变化，具体如下：

10、（1）以六方晶型纳米sic为骨料使得耐火粘结剂具有良好的导热性。

11、（2）选用无机盐体系，具有极佳的耐热、抗高温氧化、阻燃、耐水和耐火性能。

12、（3）控制sic纳米粉的粒度及比例，可实现粘结剂高温热膨胀系数系统变化。

13、（4）设计粘结剂层的梯度结构，协调陶瓷与金属间的热膨胀系数差别，降低界面应力。

14、（5）粘结剂具有良好的耐蚀性，可耐含氯、酸性腐蚀性气氛。

15、（6）粘结剂具有较高的高温强度和耐磨性，抗热震性好，粘接力强，抗渗性好。

16、（7）室温施工，常温固化，高温使用。

17、（8）施工简单，使用方便，易于运输。

技术特征：

1.一种陶瓷与金属连接的高导热耐火粘结剂，其特征在于：以六方晶型sic纳米粉为骨料，以硅酸铝、高岭土及耐腐蚀填料的混合粉为粉料，在室温下与水玻璃和适量无机固化剂按比例配制，交联固化而成。

2.根据权利要求1所述的一种高导热耐火粘结剂，其特征在于：sic纳米粉粒径为10-1000nm；水玻璃为硅酸钾或硅酸钠水玻璃，密度为1.2-1.6g/cm3，模数为2.0-3.5；硅酸铝（纯度＞95%）和高岭土混合粉的粒度2.6-10um；耐腐蚀填料为铝硅酸钠或铝硅酸钾，为化学分析纯试剂；无机固化剂包括氟硅酸钠、五氧化二磷等。

3.氟硅酸钠纯度＞95％，含水率＜1％。

4.五氧化二磷为化学分析纯试剂。

5.根据权利要求1所述的一种高导热耐火粘结剂，其特征在于：水玻璃：sic骨料：粉料：固化剂=80：20-80：20-60：10-35（质量比）。

6.根据施工现场的气侯、温度、湿度条件，配比在范围内可微调。

7.根据权利要求1所述的一种新型高导热耐火粘结剂，其特征在于通过控制sic纳米粉的粒度及比例，实现耐火粘结剂在900-1500℃范围内热膨胀系数系统变化。

8.根据权利要求1所述的一种新型高导热耐火粘结剂，其特征在于通过设计粘结剂的梯度结构，实现粘结剂的热膨胀系数的梯度变化，降低陶瓷与金属间的因热膨胀系数差别引起的界面应力。

技术总结本发明公开了一种陶瓷与金属连接高导热耐火粘结剂及制备方法，其特征在于：它以高导热六方晶型SiC纳米陶瓷粉末材料为骨料，以硅酸铝（纯度＞95%）、高岭土及耐腐蚀填料（铝硅酸钠或铝硅酸钾）为粉料，在常温下与硅酸钾/硅酸钠水玻璃和适量无机固化剂（包括氟硅酸钠、五氧化二磷等）按比例配制，交联固化形成粘性胶体。通过控制纳米SiC的比例及设计梯度粘结剂层，实现粘结剂热膨胀系数梯度变化，降低陶瓷与金属间因热膨胀系数差别产生的界面应力。其制备方法：1.高导热耐火粘结剂采用水玻璃、粉料、骨料、固化剂等按一定比例配合而成。2.结合炉管材料及粘结剂性能（抗折强度、粘结强度、热收缩率、耐火性、耐腐蚀性等）要求，确定适当配比（质量比）为：硅酸钾或硅酸钠水玻璃80份、SiC纳米粉20‑80份、硅酸铝、高岭土及耐腐蚀填料的混合粉（1：1：1）20‑60份、固化剂10‑35份。3.采用重量法将粉料、骨料和无机固化剂按比例混合均匀，加入水玻璃并不断搅拌至无结块为止。这种粘结剂材料不但粘结强度和导热效率高，而且具有抗热震、阻燃、耐水、耐火、耐磨、耐腐蚀等优点，可实现陶瓷与金属之间的高温连接，尤其适于高温设备金属内壁与陶瓷衬板的粘结，实现高温设备的延寿。技术研发人员：陈吉,李熙麒,苏铭滨受保护的技术使用者：辽宁石油化工大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29