專利名稱：用于耐火材料和陶瓷的膠和涂料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于耐火材料和陶瓷(例如碳材料、氮化硅、碳化硅和石英)的膠和涂料。
背景技術：
已知用于膠合耐火材料和陶瓷(例如碳材料、氮化硅、碳化硅和石英，其在高溫下使用)的多種膠。由美國專利No. 5，474，849因而已知用于碳組分的膠。所述膠包含熱固性 polysilagen聚合物，占聚合物重量20_50重量％的陶瓷粉末(其能夠是SiC)，占聚合物重量10-40重量％的Si-粉末和占聚合物重量5-15重量％的碳粉末。但是，已經發(fā)現該類型的膠不適用于在傾向于與熔融硅接觸的爐、模具、坩堝或為此的零件(details for such)中使用的碳材料、氮化硅、碳化硅和石英。重要的是，對于部件使用的膠不污染與所提及的爐、模具、坩堝或為此的零件接觸的熔融硅。這對用于制造太陽能電池的高純度硅的處理是特別重要的。還重要的是膠接合部不可由熔融二氧化硅潤濕。發(fā)明描述
本發(fā)明提供了容易使用的膠和涂料，其具有良好的高溫強度，不可由熔融硅潤濕并且能夠長時間儲存。所述膠和涂料進一步具有令人驚訝的效果，其在從高溫冷卻并降到低于 1000°C期間喪失(loose)其強度。該效果在所述膠用于將由分開的片材(例如氮化硅、石英或石墨的片材，用于熔融硅的取向性凝固(directional solidification))制造的模具膠合在一起時特別有用。在硅冷卻期間，發(fā)生固體相變，其導致體積增加并可能引起模具故障。通過使用由用本發(fā)明所述的膠膠合的分開的片材制造的模具，所述膠在發(fā)生相變的溫度下將具有低強度，并且所述模具將因此在膠層中開裂而同時單獨的片材不會受損。所述片材因此能夠再用于制造新模具。本發(fā)明因而涉及用于碳材料、氮化硅、碳化硅和石英的熱固性的膠或涂料，所述膠或涂料由25-50重量％硅粉末，5-20重量％碳化硅粉末，20-60重量％酚醛樹脂(fenol formaldehyde resin)或聚糠醇(polyfurfuryl alcohol)和 10-30 重量 ％ 有機溶劑組成。根據一個優(yōu)選的實施方案，所述有機溶劑選自單乙二醇，二乙二醇和三乙二醇。優(yōu)選的有機溶劑是單乙二醇。所述溶劑加入的量足以獲得適當粘度的膠或涂料。根據一個優(yōu)選的實施方案，所述膠或涂料包含35-45重量％硅粉末，8-18重量％硅粉末，25-35重量%甲醛樹脂(formaldehyde resin)或聚糠醇和15-25重量％有機溶劑。根據另一優(yōu)選實施方案，所述膠或涂料包含固化劑以便降低所述甲醛樹脂或所述聚糠醇的聚合溫度。所述固化劑優(yōu)選是烏洛托品，但也能夠使用磷酸鋁和酸例如硫酸、對甲苯磺酸(PTS)、用尿素中和的PTS和對甲苯磺酸乙酯(PTSEE)。本發(fā)明的膠或涂料在室溫下為液態(tài)并且能夠長時間儲存。當使用不包含固化劑的膠或涂料時，有機溶劑將在150-290°c揮發(fā)且甲醛樹脂和聚糠醇的聚合將在250°C -400°C的溫度范圍內進行，由此形成固體結構。如果加入固化劑， 聚合過程將在較低溫度開始。在進一步加熱期間，將在大約700°C保留由剩余的甲醛樹脂或聚糠醇組成的碳結構。在該溫度范圍內所述膠的強度將高于20MPa。通過進一步的溫度升高，在所述膠中的碳結構和硅粉末之間將發(fā)生反應，并且隨著繼續(xù)加熱至超過1413°C的溫度，Si粉末將熔融并與碳反應成SiC。然而，如果溫度升高緩慢，Si粉末和碳之間的反應將在固體狀態(tài)中進行。當使用所述膠來膠合用于熔煉坩堝的碳蓋時，本發(fā)明所述的膠顯示出針對與熔融硅的接觸產生密封。在所述熔煉坩堝已經用于熔煉硅之后的冷卻期間，所述膠的強度消失且膠合在一起的部件能夠從彼此脫開而沒有阻力。因而只要膠合的部件保持在高溫，根據本發(fā)明所述的膠就保持其強度。通過在用于熔融硅的凝固的石墨模具中使用涂料進行的測試顯示，所述涂料提供了填充孔和腔隙的層并針對硅透入所述石墨模具壁中完全密封。在冷卻硅并除去硅坯料之后，剩余的涂料能夠以粉塵樣粉末的形式刷掉并且所述模具能夠用本發(fā)明所述的涂料再次涂覆。本發(fā)明所述的膠還能夠用于膠合在硅的取向性凝固中使用的模具，其中所述模具由膠合在一起的底部片材和側片材組成。所述膠密封腔隙，所述片材中的表面粗糙度和對片材表面拋光的要求因此能夠降低。在凝固和冷卻之后，所述膠將如上所述喪失其強度且所述片材因此能夠用于制造新模具。膠合的片材能夠由碳材料制造，例如預烘干的碳片材或石墨片材、氮化硅片材或石英片材。


圖1顯示了用于測試用本發(fā)明所述的膠膠合的石墨部件強度的裝備。發(fā)明詳述。
實施例圖1顯示了用于測試膠強度的裝備，所述膠用于用本發(fā)明所述的膠膠合的石墨部件。所述膠具有以下組成
38重量％硅粉末，12重量％碳化硅粉末，28重量％甲醛樹脂，18%單乙二醇和4重量％ 烏洛托品。在圖1上，示意性地顯示了放置在感應爐(未顯示)中的石墨坩堝1。制備了由直徑為M毫米且借助于本發(fā)明所述膠膠合至下部石墨柱體3的上部石墨柱體2組成的三個樣品。所述柱體3與所述石墨柱體2相比較具有更大的直徑。將所述三個膠合的樣品擰至坩堝1的蓋子4的下側。借助于熱電偶測量坩堝中的溫度并通過經管道6添加氬氣而使所述坩堝中的氣氛保持惰性。穿過所述蓋子4插入陶瓷桿7以便將力施加至樣品的部件3。 陶瓷桿7連接至20千克的輕磅(feather-weight)。根據以下程序加熱坩堝 20-1000°C 20 分鐘 1000-1600°C 60 分鐘
在1600°C的保留時間60分鐘從1600°C冷卻至IOOO0C 60分鐘此后關閉所述爐并將樣品緩慢地冷卻至室溫。在不同溫度和不同時間對樣品1-3加載20千克的力。結果顯示在表I中。表 1表1中顯示的結果表明，在加熱階段期間加載有20千克重量的樣品1在直至 1600°C具有良好強度。樣品2在1600°C保持60分鐘之后加載20千克的重量并在該溫度具有良好的強度。樣品2還在冷卻至1350°C之后顯示出良好的強度。樣品3在1600°C保持60分鐘之后并在冷卻至1350°C期間和在進一步冷卻至 1000°C期間加載20千克的重量。結果顯示，所述膠的強度在這些溫度非常好。通過進一步冷卻至室溫，樣品3的部件3從樣品的上部部件2落下。來自這些實施例的結果表明，本發(fā)明所述膠在加熱至1600°C期間具有很好的強度并在冷卻至低于1000°C的溫度期間保持其強度，而所述強度在此后降低。
權利要求
1.用于耐火材料和陶瓷的可熱固化的膠或涂料，特征在于所述膠或涂料包含25-50重量％硅粉末，5-20重量％碳化硅粉末，20-60重量％酚醛樹脂或聚糠醇和10-30重量％有機溶劑。
2.根據權利要求1所述的膠或涂料，特征在于所述有機溶劑選自單乙二醇、二乙二醇和三乙二醇。
3.根據權利要求1所述的膠或涂料，特征在于膠或涂料包含35-45重量％硅粉末，8-18 重量％硅粉末，25-35重量％甲醛樹脂或聚糠醇和15-25重量％有機溶劑。
4.根據權利要求1-3所述的膠或涂料，特征在于所述膠或涂料包含固化劑以便降低所述甲醛樹脂或所述聚糠醇的聚合溫度。
5.根據權利要求4所述的膠或涂料，特征在于所述固化劑選自烏洛托品、磷酸鋁或酸。
6.根據權利要求5所述的膠或涂料，特征在于所述酸選自硫酸、用尿素中和的對甲苯磺酸和對甲苯磺酸乙酯。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于耐火材料和陶瓷的熱固性膠或涂料。所述膠或涂料包含25-50重量%硅粉末，5-20重量%SiC粉末，20-60重量%甲醛樹脂或聚糠醇和10-30重量%的有機溶劑。
文檔編號C08K3/34GK102438965SQ201080020774
公開日2012年5月2日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權日2009年5月11日
發(fā)明者哈伯格 A., 埃格蘭 B., A. 約翰森 J., 馬德舒斯 S. 申請人:埃爾凱姆碳有限公司