CN116063867A - 一种宽温域复合密封材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料领域，具体涉及一种新型宽温域复合密封材料极其应用，特别适用于玻璃、金属、陶瓷部件之间需要高温密封的场合。密封材料包含固化组分和软化组分；所述固化组分为胶凝材料，软化组分为玻璃材料；所述固化组分的质量比为50‑80％，所述软化组分的质量比为20‑50％。该复合密封材料可实现室温至软化组分软化温度范围内的有效密封。除此以外，该密封材料所采用的原料简单、制备和使用过程方便、成本低，适合于多种领域的密封。

Description

一种宽温域复合密封材料及其应用
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种新型宽温域复合密封材料极其应用，特别适用于玻璃、金属、陶瓷部件之间需要高温密封的场合。
背景技术
由于材料和技术的限制，使得高温环境(>500℃)的密封问题尚未得到很好的解决。现行的高温密封方式主要有压密封和硬密封。压密封(如云母材料)是指借助外力将密封材料与待密封件压紧来实现密封。该密封方式不需要材料间精确的热匹配，但加压装置的引入增大了使用的复杂性。硬密封是指密封材料与待密封部件间进行硬连接，密封后密封材料不能产生塑性形变的密封方式。常用的材料主要有金属(如铜焊、银浆、合金等)、玻璃、玻璃-陶瓷等。其中，玻璃具有制备简单、成本低廉、性能可调等优点，因而成为广泛研究和应用的对象。
玻璃随温度的升高，依次经过玻璃态(室温～玻璃化转变温度)、高弹态(玻璃化转变温度～粘流温度)、粘流态的转变(粘流温度以上)。玻璃在作为密封材料使用时，需先升温至粘流温度以上使玻璃发生粘性流动，然后再降温至粘流温度以下(工程中通常降至软化温度以下)使用。在使用玻璃实施密封时，通常需要在封接零件施加一定的压力，以保证玻璃均匀地铺展在待封接部位。这对于不能施加压力的应用场景造成了限制。另外，玻璃只有在维持高弹态时才具有良好的密封效果。当温度高于玻璃的粘流温度时，玻璃进入粘流态，容易从密封部位流出导致密封失效。当温度低于玻璃化转变温度时，玻璃进入玻璃态，由于应力失配可能在密封界面或玻璃内部产生裂纹，从而对密封效果造成影响。因此，玻璃作为密封材料使用时，其适用温度范围在玻璃化转变温度～软化温度之间，这极大地限制了玻璃密封材料的应用。因此，拓宽密封材料的适用温度区间，发展无需加压便可实现有效密封的密封技术是高温密封领域亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有密封技术的不足，克服密封玻璃适用温度范围窄和需要加压密封等问题，提供一种新型宽温域、无需加压的复合密封材料极其应用，特别适用于玻璃、金属、陶瓷部件之间需要高温密封的场合。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种宽温域复合密封材料，密封材料包含固化组分和软化组分；所述固化组分为胶凝材料，软化组分为玻璃材料；所述固化组分的质量比为50-80％，所述软化组分的质量比为20-50％。
所述复合密封材料中还含缓凝剂，所述缓凝剂占宽温域复合密封材料总质量的0.1-0.5％。
所述缓凝剂为硼砂、酒石酸钾钠、柠檬酸、聚乙烯醇中一种或几种。
所述胶凝材料为一种或几种水硬性胶凝材料；
所述玻璃材料为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硅铝酸盐玻璃、磷酸盐玻璃的一种或几种。
所述水硬性胶凝材料为硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐、氟铝酸盐、磷酸盐一种或几种。
所述胶凝材料为1-100μm的粉末或颗粒；
所述玻璃材料为粉末、颗粒或纤维；所述粉末或颗粒尺寸为1-100μm，纤维直径为5-50μm、长度为0.1-10mm。
一种所述的宽温域复合密封材料的应用，所述复合密封材料在作为宽温域密封材料中的应用。
一种所述材料的密封方法，将所述材料与水均匀混合后，涂布于待密封部位，室温至材料中软化组分的软化温度以上时即可实现密封。
所述水的添加量为复合密封材料质量的50～150％。
所述于室温下使材料中固化组分发生固化，形成固化密封层，进而实现对待密封部位的密封处理；
升温至软化组分的软化温度以上时，材料中所述软化组分发生软化，形成软化密封层，进而实现对待密封部位的密封处理。
本发明的优势在于：
(1)密封效果好：本发明复合密封材料含有固化组分和软化组分，其中固化组分为胶凝材料，软化组分为玻璃材料。当复合材料与水混合实施密封时，玻璃材料作为骨料起到支撑作用，可以有效地防止胶凝材料的过度流动，水硬性的胶凝材料具有很好的流动性，可以均匀地附着在骨料和待密封部件的表面、孔道和缝隙处，保证了密封的有效性可靠性。当温度升温至玻璃材料的软化温度以上时，玻璃发生软化流动，填充在固化密封层微小的漏气通道处，进一步防止密封层的漏气，达到双重密封的效果。因此，该复合密封材料比单一的玻璃材料具有更好的密封效果。
(2)适用温度范围广：本发明所提供的复合密封材料中的胶凝材料，在室温固化后便可实现固化密封，随温度上升至玻璃材料的软化温度以上，玻璃发生软化流动形成软化密封。在室温至玻璃的软化温度区间内，该复合密封材料都具有良好的密封效果，极大地拓宽了密封材料的适用温度范围。
(3)成本低，操作简单。本发明所提供的复合密封材料，其固化组分和软化组分中的胶凝材料和玻璃材料均为常见材料，可根据使用的温度和场景调控材料组分和用量，制备成本较低。使用时仅需要将组分与水混合均匀，涂布于待密封部位，室温固化后便可实现密封，操作过程简单，无需加压操作，可适用于平面、裂缝、沟槽等多场景的密封。
附图说明
图1是本发明实施例1-3所包含的玻璃组分的膨胀软化曲线。
图2是本发明实施例1实现软化密封后密封界面图片。
图3是本发明实施例1-3与对比例在不同测试压力下的密封效果对比。
具体实施方式
本发明可以由多种实施方式，图中所示和下述具体描述的是本发明的一些实施方式和实施例，并不是用以限制本发明。
实施例1
新型宽温域复合密封材料，包含固化组分和软化组分；固化组分为硅酸盐粉末，尺寸为10-20μm，质量比为65％；软化组分为硼硅酸盐玻璃颗粒，尺寸为50-100μm，质量比为35％。硼硅酸盐玻璃的膨胀曲线如图1所示，可知软化温度为799℃。
将硅酸盐粉末和硼硅酸盐玻璃颗粒与水均匀混合，水含量与复合密封材料固体粉料的质量相等。涂覆于待密封部位，本实施例用于两片SUS430不锈钢金属连接体之间的密封。室温下固化密封，然后升温至799℃实现软化密封。图2为密封材料发生软化密封后的显微镜照片，可以看出，复合材料连成一体，在未施加压力的密封条件下即可获得致密层。为便于对比，采用与本实施例软化组分相同的单一的硼硅酸盐玻璃作为对比例。其密封效果如图3所示，可见在30-100kPa的测试压力下，该复合密封材料的密封效果均优于对比例。
实施例2
与实施例1不同之处在于，固化组分为硅酸盐颗粒，尺寸为50-100μm，质量比为50％；软化组分为硅酸盐玻璃纤维，直径为8um，长度为0.5mm的玻璃纤维，质量比为50％。该硅酸盐玻璃的软化温度为806℃。该复合材料还含有硼砂作为缓凝剂，其含量占磷酸盐和硅酸盐玻璃纤维总质量的0.3％。
将磷酸盐、硅酸盐玻璃纤维和硼砂按比例混合后，加入水混合均匀，水含量占复合密封材料固体粉料的质量的120％，涂覆于待密封部位，室温下固化密封，然后升温至806℃实现软化密封。如图3所示，在所测试的压力范围内，该复合密封材料的密封效果也优于对比例。
实施例3
与实施例1不同之处在于，固化组分为铝酸盐粉末，尺寸为25-50μm，质量比为75％；软化组分为硼酸盐玻璃颗粒，尺寸为25-50μm，质量比为25％。该硼酸盐玻璃的软化温度为683℃。
将铝酸盐、硼酸盐玻璃按比例混合后，加入水混合均匀，水含量占复合密封材料固体粉料的质量的90％，涂覆于待密封部位，室温下固化密封，然后升温至683℃实现软化密封。如图3所示，该复合密封材料的密封效果也优于对比例。
对比例
与实施例1不同的是，对比例仅含有软化组分—硼硅酸盐玻璃。玻璃颗粒尺寸为50-100μm，玻璃的软化温度为799℃。玻璃颗粒与同质量的水混合均匀后，涂覆于两片SUS430不锈钢金属连接体之间，升温至799℃实现软化密封。其密封效果如图3所示，可见在30-100kPa的测试压力下，该单一组分的密封效果较复合密封材料的密封效果差。

Claims (10)

1.一种宽温域复合密封材料，其特征在于：密封材料包含固化组分和软化组分；所述固化组分为胶凝材料，软化组分为玻璃材料；所述固化组分的质量比为50-80％，所述软化组分的质量比为20-50％。
2.按权利要求1所述的宽温域复合密封材料，其特征在于：所述复合密封材料还含缓凝剂，所述缓凝剂占宽温域复合密封材料总质量的0.1-0.5％。
3.按权利要求2所述的宽温域复合密封材料，其特征在于：所述缓凝剂为硼砂、酒石酸钾钠、柠檬酸、聚乙烯醇中一种或几种。
4.按权利要求1所述的宽温域复合密封材料，其特征在于：
所述胶凝材料为一种或几种水硬性胶凝材料；
所述玻璃材料为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硅铝酸盐玻璃、磷酸盐玻璃的一种或几种。
5.按权利要求4所述的宽温域复合密封材料，其特征在于：所述水硬性胶凝材料为硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐、氟铝酸盐、磷酸盐一种或几种。
6.按权利要求4或5所述的宽温域复合密封材料，其特征在于：所述胶凝材料为1-100μm的粉末或颗粒；
所述玻璃材料为粉末、颗粒或纤维；所述粉末或颗粒尺寸为1-100μm，纤维直径为5-50μm、长度为0.1-10mm。
7.一种权利要求1所述的宽温域复合密封材料的应用，其特征在于：所述复合密封材料在作为宽温域密封材料中的应用。
8.一种权利要求1所述材料的密封方法，其特征在于：将权利要求1或2所述材料与水均匀混合后，涂布于待密封部位，室温至材料中软化组分的软化温度以上时即可实现密封。
9.按权利要求8所述的密封方法，其特征在于：所述水的添加量为复合密封材料质量的50～150％。
10.按权利要求8所述的密封方法，其特征在于：所述于室温下使材料中固化组分发生固化，形成固化密封层，进而实现对待密封部位的密封处理；
升温至软化组分的软化温度以上时，材料中所述软化组分发生软化，形成软化密封层，进而实现对待密封部位的密封处理。
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