КЛЕЙ Российский патент 2022 года по МПК C09J1/02 

Изобретение относится к области клеев для получения температуростойких токо- и теплопроводящих неразъемных соединений углеграфитовых деталей с деталями из керамики и тугоплавких металлов, в частности, при изготовлении коллекторов электронов для электровакуумных приборов сверхвысокочастотного диапазона с токоприемными деталями из углеграфитовых материалов, закрепленных во втулках из алюмооксидной и бериллиевой керамики.

Известны способы получения неразъемных соединений графитовых деталей с деталями из молибдена и керамики для применения в различных областях техники: в термоядерных реакторах, микроэлектронике и солнечных фотоэлектрических устройствах, в качестве анодов рентгеновских трубок и т.д. Каждая область применения накладывает свои, только ей присущие требования к паяным швам. В электровакуумных приборах СВЧ-диапазона, таких как лампы бегущей волны (ЛБВ) для космической связи и бортовой аппаратуры воздушного базирования, паяные швы графито-керамических соединений должны выдерживать вибрационные и ударные нагрузки с большим ускорением, циклические термонагрузки и обладать минимальным газоотделением при разогреве по крайней мере до 1300°С.

Известен способ получения соединения молибдена и графита методом пайки, способного сохранять свои прочностные характеристики до температуры 1650°С (патент РФ №2646300). В качестве припоя использован многокомпонентный припой, содержащий токсичный бериллий, что ограничивает применение данного способа.

Известен также способ пайки графитовых деталей с керамикой (патент CN 102074438). В качестве припоя в данном случае могут быть использованы припои на основе меди, меди и золота, меди и серебра. Прочность паяного соединения при использовании припоя с указанными компонентами для пайки деталей на основе углерода может быть недостаточной при эксплуатации спаянных узлов в условиях циклических термоударов и вибрационных и ударных нагрузок с большим ускорением. Это связано с химической инертностью углеродных материалов, которые не образуют устойчивых химических связей с расплавами металлов, использующихся в качестве компонентов припоя. Адгезия указанных металлов с графитовыми деталями обеспечивается исключительно за счет шероховатости графитовых материалов. Для получения прочного соединения необходимо осуществлять операцию по металлизации участков поверхности графитовых деталей под спай, что усложняет технологию пайки.

Недостатком способа также является невозможность использования данного припоя для узлов с рабочей температурой до 1300°С вследствие низких значений температуры плавления компонентов припоя, а высокая стоимость компонентов делает данную технологию пайки дорогой.

Наиболее близким к данному изобретению является способ неразъемного соединения углеродных и углерод-углеродных композиционных материалов с помощью клея на основе модифицированной фенолформальдегидной смолы, уротропина и порошкового наполнителя, состоящего из смеси кремния и бора, взятых в соотношении 1:2 со средним размером частиц 80 нм (патент РФ №2508306).

Недостатком данного клея является наличие в его составе кремния. В процессе карбонизации на границе раздела склеиваемых деталей и клеевого шва образуются карбиды, бориды, силициды, нитриды, силикаты, которые ухудшают электросопротивление и теплопроводность клеевого шва, что препятствует его использованию для получения неразъемных соединений токоприемных элементов из углеграфитовых материалов, таких как искусственные графиты марки МПГ 6, МПГ 7, МИГ 2, пиролитические графиты (изотропный и анизотропный) в коллекторах электронов, электровакуумных приборах с диэлектрическими кольцами из алюмооксидной и бериллиевой керамики.

Задачей настоящего изобретения является создание клея для неразъемного соединения деталей из углеграфитовых материалов с деталями из керамики и тугоплавких металлов с минимальными электрическим и тепловым сопротивлениями соединяющего их шва в диапазоне рабочих температур до 1600°С.

Поставленная задача достигается тем, что неразъемное соединение деталей из углеграфитовых материалов с деталями из керамики и деталями из тугоплавких металлов осуществляют с помощью токопроводящего и температуропроводящего клея, содержащего: растворимый в дистиллированной воде силикат натрия 37%, додецилсульфат натрия 0,05%, углеродный наполнитель из искусственного графита 6,25%, водную дисперсию поливинилацетата 0,20%, воду дистиллированную 56,5%.

Исходными материалами для приготовления клея являются:

- силикат натрия растворимый (ГОСТ Р 50418-92 для клеев, пропиток, покрытий);

- водная дисперсия поливинилацетата (ТУ 2385-005-22274407-2015);

- додецилсульфат натрия (ТУ 6-09-10-1405-79);

- углеродный наполнитель - искусственный графит марки МПГ-7, или МИГ-2, или ГИИ-А фракции менее 26 мкм;

- вода дистиллированная.

Пример состава предлагаемого клея:

1. Силикат натрия растворимый смешивают с дистиллированной водой в соотношении 2:3 соответственно, тщательно перемешивают до полного растворения (20-25 мин.) стеклянной палочкой или магнитной мешалкой.

2. Готовят 10 мас.% раствор додецилсульфата натрия в дистиллированной воде.

3. К раствору силиката натрия добавляют 0,5% по массе раствора додецилсульфата натрия.

1. Далее раствор, полученный в пункте 3, смешивают с наполнителем из искусственного графита марки МПГ-7, или МИГ-2, или ГИИ-А фракции менее 26 мкм в массовом соотношении 14:1 соответственно.

2. К полученной основе клея добавляют водную дисперсию поливинилацетата в количестве 0,2% от массы раствора, полученного в пункте 3.

4. Полученный клей тщательно перемешивают стеклянной палочкой в течение 5 минут.

5. Приготовленный клей необходимо хранить в плотно закрытой стеклянной таре. Срок хранения клея не более 3 месяцев.

Неразъемное соединение углеграфитовых деталей с деталями из керамики и тугоплавких металлов с помощью предлагаемого клея (склеивание) осуществляется в следующей последовательности:

1. Склеиваемые поверхности должны быть чистыми - их необходимо обезжирить этиловым спиртом или ацетоном.

2. Перед нанесением на склеиваемые поверхности клей следует перемешать стеклянной палочкой в течение 5 минут.

3. После того как остатки спирта или ацетона испарятся (склеиваемые поверхности должны быть сухими), с помощью кисточки тонким слоем нужно нанести клей на обе поверхности. Необходимо следить, чтобы клей был нанесен на склеиваемые поверхности, не оставляя пустот.

4. После нанесения клея детали прижать друг к другу и зафиксировать хомутами или любым другим приспособлением, защищающим склеиваемые детали от движения относительно друг друга. Выдержать соединенные детали при комнатной температуре (20-25°С) и относительной влажности не более 70% в течение 7 часов.

5. После выдержки соединенных деталей при комнатной температуре необходимо приступить к их термообработке. Термообработку следует проводить в сушильном шкафу по режиму, графически изображенном на рисунке 1.

6. После термообработки склеенные детали оставить остывать в сушильном шкафу до комнатной температуры.

Режим термообработки выбран на основе результатов исследования изменений, происходящих в клее при изменении температуры. Основная потеря массы клея (53,4%) наблюдается при повышении температуры до 208°С. Дальнейший подъем температуры до (800°С) приводит к незначительной потере массы (3,9%). Результаты исследований показали, что все скачки термического разложения проходят при отверждении клеевой композиции до температуры 208°С, что отлично коррелирует с потерей массы и связано с удалением воды. При нагреве более 208°С и выше, вплоть до 800°С, разложения клея не происходит, что свидетельствует об отсутствии фазовых переходов в данной температурной области.

Таким образом, после термообработки клеевой шов не претерпевает ни фазовых переходов, ни потери массы при нагреве по крайней мере до 1600°С.

Источники информации

1. Патент РФ №2646300, МПК B23K 1/19, B23K 1/008, B23K 35/30, B23K 103/18, опубл. 02.03.2018 г.

2. Заявка на изобретение № CN 102074438, МПК H01J 23/027, H01J 9/14, опубл. 25.05.2011 г.

3. Патент РФ №2508306, МПК C09J 161/14, В82В 3/00, опубл. 27.02.2014 г.

Изобретение может быть использовано для создания неразъемного соединения деталей из углеграфитовых материалов с деталями из керамики и тугоплавких металлов. Клей содержит силикат натрия растворимый, водную дисперсию поливинилацетата, додецилсульфат натрия, наполнитель - искусственный графит марок МПГ-7, МИГ-2 или ГИИ-А фракции менее 26 мкм и дистиллированную воду. Технический результат заключается в снижении электрического и теплового сопротивления клеевого шва в диапазоне рабочих температур до 1600°С. 1 ил., 1 пр.

Клей, включающий суспензию мелкодисперсного наполнителя, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используется искусственный графит фракции менее 26 мкм, добавленный в суспензию, состоящую из силиката натрия, поливинилацетата, додецилсульфата натрия, дистиллированной воды при следующих соотношениях в % массы:

силикат натрия растворимый - 37%;

водная дисперсия поливинилацетата - 0,20%;

додецилсульфат натрия - 0,05%;

наполнитель - искусственный графит марки МПГ-7, или МИГ-2, или ГИИ-А фракции менее 26 мкм - 6,25%;

вода дистиллированная - 56,50%.