材料组合物,其制备和其用作密封层和化保护层的用途

申请号 CN201180007903.7 申请日 2011-03-17 公开(公告)号 CN102858716A 公开(公告)日 2013-01-02
申请人 SGL碳股份公司; 发明人 M·克里斯特; S·科勒; F·高吉尼; R·施密特; O·奥廷格;
摘要 本 发明 涉及材料组合物(10),其具有载体组分(11)和添加剂组分(12)。所述添加剂组分(12)具有一种或多种陶瓷添加剂(12'、12")。所述载体组分(11)和所述添加剂组分(12)以约1:9至约7:3范围内,优选约1:4至约2:1范围内,特别是约1:1范围内的体积比存在。根据本发明的材料组合物(10)可以构造为箔的形式或构造为液体、粘稠、糊状或凝胶状材料的形式。根据本发明的材料组合物(10)可特别用作 氧 化保护或密封。
权利要求

1.特别是用于或用作化保护(30、30')或密封的材料组合物(10),其具有:
载体组分(11)和
添加剂组分(12),
其中所述添加剂组分(12)具有一种或多种陶瓷添加剂(12'、12"),和
其中所述载体组分(11)和所述添加剂组分(12)以约1:9至约7:3范围内的体积比存在。
2.根据权利要求1所述的材料组合物(10),
其中所述载体组分(11)和所述添加剂组分(12)以约1:4至约2:1范围内,优选约1:1范围内的体积比存在。
3.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其构造为具有一种或多种陶瓷添加剂(12'、12")的石墨箔(10-1),或
其构造为具有一种或多种陶瓷添加剂(12'、12")的树脂基材料,特别是构造为箔(10-1)或构造为液体、粘稠、糊状或凝胶状材料和/或具有一种或多种功能性添加剂。
4.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其中至少一种陶瓷添加剂(12'、12")为或者具有耐高温材料、成玻璃材料和/或如下材料,其特别是在高于约700℃的温度下氧化并因此烧结
5.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其中所述至少一种陶瓷添加剂(12'、12")为或者具有选自TiB2、TiO2、Si、SiC、Si3N4、BN、B4C、CaB6、FeB、Si3N4、Zr(HPO4)2、Al2O3、AlB2、AlB12、SiB6、PB、ZnO·B2O3、磷酸锌、酸锌及其组合的材料。
6.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其中所述添加剂组分(12)具有作为第一和第二添加剂(12'、12")的B4C和/或SiC、B4C和/或Zr(HPO4)2、B4C和/或TiO2、TiB2和/或Si或TiO2和/或Si或者由它们形成,特别是根据下表:
# 添加剂1 添加剂2
1 B4C SiC
2 B4C Zr(HPO4)2
3 B4C TiO2
4 TiB2 Si
5 TiO2 Si

7.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其中所述载体组分(11)具有或由石墨材料(11')、使用H2SO4(GHS)的膨胀石墨插层化合物、使用HNO3(GN)和/或其混合物(GNS)的膨胀石墨插层化合物、一种或多种纤维材料或其组合形成,其中它们特别以膨胀和/或粉末形式存在和/或其中具有一种或多种功能性添加剂,所述功能性添加剂例如具有或来自合成石墨或一种或多种炭黑
8.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其中所述载体组分(11)具有或由树脂材料(11")特别是树脂材料形成,和/或具有或来自一种或多种热固性或热塑性聚合物
9.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其特别是在室温下作为箔(11-1)和/或作为毡存在。
10.根据上述权利要求1至8任一项所述的材料组合物(10),
其特别是在室温下作为液体、粘稠、糊状或凝胶状材料,特别是作为涂层(11-2)存在。
11.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其在室温下为机械连续性、机械柔韧性、机械弹性和/或导电性
12.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其在高于约700℃的温度下为或者维持机械连续性。
13.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其中所述添加剂组分(12)具有一种或多种功能性添加剂,所述功能性添加剂具有或来自石墨材料、合成石墨、天然石墨、一种或多种炭黑、一种或多种碳基纤维材料或其组合,其中它们特别以膨胀和/或粉末形式存在,和/或
其中所述添加剂组分(12)具有一种或多种功能性添加剂,所述功能性添加剂具有或来自金属材料,优选具有,特别是以粉末形式。
14.根据上述权利要求任一项所述的材料组合物(10),
其中所述载体组分(11)和所述添加剂组分(12)作为或基本上作为混合物而相互存在。
15.用于制备根据权利要求1至14任一项所述的材料组合物(10)的方法,
其中使所述载体组分(11)和所述添加剂组分(12)以相应的体积比混合并压制成箔。
16.根据权利要求15所述的方法,其中:
(a)在与所述添加剂组分(12)压制之前,所述载体组分(11)作为液体、粘稠、糊状或凝胶状树脂存在,并以相应的体积比与所述添加剂组分(12)混合,
(b)将产生的液体、粘稠、糊状或凝胶状混合物浇铸成箔(10-1),并任选地固化和/或压制,和
(c)特别地,层压所产生的箔(10-1)。
17.用于制备根据权利要求1至14任一项所述的材料组合物(10)的方法,
其中所述载体组分(11)作为液体、粘稠、糊状或凝胶状材料存在,
其中所述添加剂组分(12)作为松散材料、作为粉末、作为液体、粘稠、糊状或凝胶状材料存在,
其中使所述载体组分(11)和所述添加剂组分(12)以相应的体积比相互混合,和其中由此所产生的混合物:
以液体、粘稠、糊状或凝胶状材料提供,或
通过再处理步骤作为材料组合物(10)以箔的形式提供。
18.根据权利要求1至14任一项所述的材料组合物(10)在石墨基或碳基或者石墨增强或碳增强的物件(100)或工件(100)中作为氧化保护(30、30')的用途。
19.根据权利要求18所述的用途,
其中所述材料组合物(10)作为涂层配置在物件(100)或工件(100)的表面(100a)或部分表面(100a)上,或者作为材料掺合物配置在物件(100)或工件(100)的表面(100a)或部分表面(100a)上或它们之中。
20.根据权利要求18或19所述的用途,
其中所述物件(100)或工件(100)为隔热元件、热瓷砖、电极电弧电极、工件或工具等。
21.根据权利要求18至20任一项所述的用途,
作为两个工件(100、101、102)之间的密封材料,特别是对法兰(100f、101f、102f)等的密封材料,优选作为平面密封材料、环形密封材料或带形密封材料。

说明书全文

材料组合物,其制备和其用作密封层和化保护层的用途

技术领域

[0001] 本发明涉及特别是用于或用作氧化保护和/或密封的材料组合物,其制备方法及其用途。特别地,本发明还涉及高温氧化保护箔。

背景技术

[0002] 对于许多工业用品和装置,在其制备以及特别是在运行中应用时,涉及较大数值范围的操作参数(例如温度)。根据用途,工件、工具以及用品的温度可从室温(或更低)扩展至数百或甚至超过1000℃。在不同的温度范围内,在某些情况下,各种材料组分的机械和/或热负荷(特别是表面或界面上)通常极为不同。
[0003] 在具有热活化的表面或界面的这种条件下,可在该处导致化学反应,特别是氧化过程,这也改变其表面或界面上的基础材料的性质。因此,会因为氧化而使例如电阻(这例如与电极等有关)和/或材料完整性(这例如与密封有关)产生不利的变化。为了避免或至少减轻这种损耗情况,因此通常在其表面或界面或其局部区域上施加固有的或额外的材料层,所述材料层例如充当保护层或承担其它功能,例如充当密封材料。这种固有的或额外的材料层应尽可能地在整个操作参数范围上,特别是在整个温度范围上具有合适的性质,并且基础表面或界面与不具有固有的或额外的层的情况相比应被保护(schonen)和/或稳定化。
[0004] 因此,对于施加至界面或表面上的氧化保护,希望的是施加本身(其通常在室温范围内进行)不会受到额外的层的材料的柔韧性的妨碍,相反甚至可能得到促进。这意味着,材料应在室温下尽可能地连续并且还应具有一定的机械柔韧性(例如以弯曲性的形式)。另一方面,保护功能和基础材料的机械连续性(Zusammenhang)或内聚性不允许在高温范围内产生本质变化,否则会危害额外的层的功能。
[0005] 此处通常还可考虑必须在整个温度范围上或在较宽部分的温度范围上实现的其它性质,例如导电性,所述导电性应尽可能地在室温下存在,而在显著更高的温度下在某些情况中不再需要。
[0006] 当考虑例如应在两个法兰等之间配置的与材料过渡相关的密封材料时,此处也应在室温下,例如在装配材料时存在内聚性或连续性以及一定的机械柔韧性。此外对于密封功能,当然必须在整个操作温度范围上使泄露尽可能的少,这通常与基础密封材料组合物的材料连续性或内聚性有关。
[0007] 除了与工件或工具中基础材料可能氧化相关的上述问题之外,当使用材料组合物以改变工件或工具的表面或界面时,氧化过程也是成问题的,因为通过氧化还会使已知的材料组合物的性质产生不利的变化。
[0008] 此外,已知的材料组合物(例如以箔的形式)只能通过相对高的工艺成本和设备成本通过使用大量能量而制备。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于提供一种材料组合物,所述材料组合物可在较宽温度范围上,特别是在超过700℃的高温范围上维持其材料连续性和内聚性,并且所述材料组合物可通过相对低的工艺成本和设备成本并通过使用相对少量的能量而制备。
[0010] 通过具有独立权利要求1的特征的本发明的材料组合物解决本发明的目的。还通过具有独立权利要求15和17的特征的本发明的材料组合物的制备方法解决本发明的目的。此外,还通过根据独立权利要求18和21的本发明的材料组合物的用途解决本发明的目的。各个从属权利要求的主题是优选的具体实施方案。
[0011] 本发明提供特别是用于或用作氧化保护和/或密封的材料组合物,其具有载体组分和添加剂组分,其中所述添加剂组分具有一种或多种陶瓷添加剂,和其中所述载体组分和所述添加剂组分以约1:9至约7:3范围内的体积比存在。
[0012] 本发明的核心在于,在材料组合物中保证载体组分与添加剂组分的一定的体积比,从而在较宽的温度范围上维持材料连续性、材料内聚性和材料耐性,即整体结构的机械完整性,从而在使用材料组合物时以及在使用所述材料组合物所使用的这些材料体系时,与材料完整性相关的材料组合物本身的性质也在较宽的温度范围上被稳定化或甚至是维持。
[0013] 此处稳定化的性质可涉及形状稳定性、微观稳定性(例如气密性等)或基于材料组合物构成的系统的导电性。
[0014] 通过本发明完成的材料组合物具有在较宽温度范围上,特别是在超过 700℃的高温范围上维持的材料连续性或内聚性。通过本发明完成的材料组合物可以通过相对低的工艺成本和设备成本并且通过使用相对少量的能量制备,特别是当其作为箔或者以涂层等的形式提供时。
[0015] 对于许多材料组合物,用除本发明方法之外的方法制备箔是完全不可能的。 [0016] 其中载体组分和添加剂组分以约1:4至约2:1范围内,优选约1:1范围内的体积比存在。根据本发明的特别合适的材料组合物的特征在于载体组分与添加剂组分的所述特别优选的体积比范围的说明,使得能够特别好地稳定材料组合物本身的性质以及使用本发明的材料组合物的体系的性质。
[0017] 本发明的材料组合物可作为具有或填充有一种或多种陶瓷添加剂的石墨箔形成。 [0018] 本发明的材料组合物也可构造为具有一种或多种陶瓷添加剂的树脂基材料,特别是构造为箔或构造为液体、粘稠、糊状或凝胶状材料和/或具有一种或多种功能性添加剂的材料。
[0019] 所述至少一种陶瓷添加剂可以为或者具有耐高温材料、成玻璃材料和/或特别是在高于约700℃的温度下氧化并因此烧结的材料。特别地,这些特征的组合提供材料组合物在稳定性和材料连续性方面的特别有利的性质,因为在高温范围内,由于陶瓷添加剂的氧化通过随后产生的烧结从而进行稳定和保护。
[0020] 至少一种陶瓷添加剂可以为或者具有由TiB2、TiO2、Si、SiC、Si3N4、BN、B4C、CaB6、FeB、Si3N4、Zr(HPO4)2、Al2O3、AlB2、AlB12、SiB6、PB、ZnO·B2O3、磷酸锌、酸锌及其组合形成的材料。特别地,所述材料及其组合可以特别可靠地保证本发明的材料组合物的稳定作用。 [0021] 根据下表A对于添加剂组分的第一和第二添加剂特别提供如下的成对材料,即B4C和/或SiC、B4C和/或Zr(HPO4)2、B4C和/或TiO2、TiB2和/或Si,或者TiO2和/或Si: [0022]# 添加剂1 添加剂2
1 B4C SiC
2 B4C Zr(HPO4)2
3 B4C TiO2
4 TiB2 Si
5 TiO2 Si
[0023]
[0024] 表A:成对的第一和第二添加剂
[0025] 考虑到本发明的材料组合物本身的性质的稳定化性以及与本发明的材料组合物结合的待稳定系统的性质的稳定性,此处对于添加剂组分的成对的第一和第二添加剂所述的实施例被证明是特别合适的实施方案。
[0026] 载体组分可以具有或由石墨材料、使用H2SO4(GHS)的膨胀石墨插层化合物、使用HNO3(GN)和/或其混合物(GNS)的膨胀石墨插层化合物、一种或多种纤维材料或其组合形成,其中它们特别以膨胀和/或粉末形式存在和/或其中具有一种或多种功能性添加剂,所述功能性添加剂例如具有或来自合成石墨或一种或多种炭黑
[0027] 此处所述的材料使得有可能通过载体组分与相应添加剂组分的结合从而形成箔、形成石墨箔和/或形成碳毡和/或石墨毡,其中由于碳基性质而保证固有的导电性。 [0028] 特别有利的并且因此优选的是基于或具有膨胀石墨的材料,特别是箔。此处可以例如如下制备石墨箔,其中(A)首先提供石墨材料,(B)然后由所述石墨材料制备所谓的石墨插层化合物或石墨插层化合物,(C)然后例如通过在1000℃的温度下骤热使其热分解和膨胀,和(D)将作为载体组分的膨胀材料与用于添加剂组分的一种或多种添加剂(和任选的功能性添加剂)混合之后,通过压制以箔的形式压缩成本发明的材料组合物。
[0029] 载体组分可以由树脂材料特别是树脂材料形成,和/或具有或来自一种或多种热固性或热塑性聚合物。特别地,以液体、粘稠、糊状或凝胶状形式使用树脂使得能够提供相应的材料组合物,所述材料组合物可以被用作涂层或遵循形状的覆盖层,因此能够以特别柔韧的方式使用。
[0030] 也可想到使用箔形式的树脂和/或将树脂转化成箔形式,其中通过压制和/或混合将具有其成分的添加剂组分引入现有的树脂基的箔中。
[0031] 对于一定的应用,特别在室温下作为箔和/或作为毡存在的材料组合物是特别有利的。箔和毡可特别简单地处理,因为它们基本上是形状稳定的,具有机械柔韧性和弹性,并可合适地剪切。
[0032] 另一方面,对于一定的其它应用,特别在室温下作为液体、粘稠、糊状或凝胶状材料存在的材料组合物是有利的。这种形式的材料组合物可以例如通过涂覆等而分配在任何模型上。
[0033] 当(特别在室温下)本发明的材料组合物是机械连续的、机械柔韧的、机械弹性的和/或导电的时,是有利的。可以通过各个载体组分和添加剂组分的组合以单独或者任意相互组合的方式得到这些性质,从而以特别柔韧的方式适应各种应用。也可考虑塑性变形性的方面。
[0034] 本发明的材料组合物可以如此构造,其在高于约700℃的温度下机械连续或者维持机械连续。高温范围内的机械连续性或内聚性或机械完整性是特别重要的,因为现有技术无法在超过700℃的情况下保证机械完整性和基础材料组合物的功能。
[0035] 添加剂组分可以具有一种或多种功能性添加剂,所述功能性添加剂具有或来自石墨材料、合成石墨、天然石墨、一种或多种炭黑、一种或多种碳基纤维材料或其组合,其中它们特别以膨胀和/或粉末形式存在。
[0036] 可选择地或者额外的,添加剂组分可以具有一种或多种功能性添加剂,所述功能性添加剂具有或来自金属材料,优选具有,特别是以粉末形式。
[0037] 通过功能性添加剂使添加剂组分改性也可给材料组合物带来其它性质。也可想到添加例如粉尘形式的金属材料,优选铜粉等。这可以例如用于调节作为基础载体组分的树脂中的导电性。
[0038] 载体组分和添加剂组分可以作为或基本上作为材料混合物而相互存在。此处也可想到溶液、悬浮液、乳液、固体混合物等。作为材料混合物存在保证了载体组分与添加剂组分特别紧密的接触和特别紧密的混合,从而保证了材料组合物的特别均匀的材料结构。 [0039] 本发明的另一方面提供本发明的材料组合物的相应制备方法。
[0040] 在用于制备材料组合物的本发明的方法中,将载体组分和添加剂组分以相应的体积比混合并压制成箔。通过该手段将以载体组分和添加剂组分的相应体积比混合的本发明的材料组合物转化成箔材料,所述箔材料然后可被使用。
[0041] 在此在与添加剂组分压制之前,载体组分可以已经作为箔存在。这意味着,已经形成的箔可以通过相应的再处理(在本发明的材料组合物的情况下为通过加入添加剂组分并维持箔结构)而得以改善。
[0042] 作为载体组分或作为一部分载体组分,特别优选的是膨胀石墨材料。
[0043] 在本发明的制备方法的另一个实施方案中,可以(a)在与添加剂组分压制之前,载体组分作为液体、粘稠、糊状或凝胶状树脂存在或提供,并以相 应的体积比与添加剂组分混合,(b)将产生的液体、粘稠、糊状或凝胶状混合物浇铸成箔,并任选地固化和/或压制,和(c)特别地,例如在工件等上层压产生的箔。
[0044] 可选择地,在材料组合物的制备方法中,载体组分作为液体、粘稠、糊状或凝胶状材料存在,且添加剂组分作为松散物料、作为粉末、作为液体、粘稠、糊状或凝胶状材料存在。在此,载体组分和添加剂组分以相应的体积比相互混合,由此形成的混合物或者以液体、粘稠、糊状或凝胶状材料的形式提供,或者通过再处理步骤作为箔形式的材料组合物提供。除了箔之外,所产生的材料组合物也可以根据更易成型的材料的方式形成,其中在最终结果中存在具有本发明的材料组合物的液体、粘稠、糊状或凝胶状终产物,并可进一步使用。
[0045] 还可想到的是,载体组分和/或本发明的材料组合物的中间形式首先作为液体、粘稠、糊状或凝胶状材料存在,然后通过中间处理过程或再处理过程转化成箔,例如通过箔的浇铸,任选地随后固化。
[0046] 本发明的另一方面是本发明的材料组合物的不同用途。
[0047] 本发明的材料组合物能够用作氧化保护,特别是在石墨基或碳基或石墨增强或碳增强的物件或工件中。由于本发明的材料组合物的可调节的性质,其特别适合用作氧化保护,从而例如改善基本为固体的物件、工件或工具,特别是石墨基或碳基和/或具有石墨增强材料或碳基增强材料的物件、工件或工具。
[0048] 本发明的材料组合物可作为涂层配置在物件或工件表面或部分表面上,或者作为材料掺合物配置在物件或工件的表面或部分表面上或它们之中。
[0049] 其中使用本发明的材料组合物的物件或工件可以是隔热元件、热瓷砖、电极、电弧电极或工具等。
[0050] 本发明的材料组合物还可作为两个工件之间的密封,特别是对法兰等的密封,优选作为平面密封、环形密封或带形密封。由于在材料连续性方面可调节的性质以及因此少量的泄露,本发明的材料组合物在相应的实施方案中也可作为密封材料。
[0051] 正如上文针对一般方面所述,本发明的核心还在于,(a)作为材料组合物的起始材料的载体组分和添加剂组分,或(b)在材料组合物的最终构造中的载体组分和添加剂组分各自以本发明的一定的体积比存在。
[0052] 由此可以实现在材料组合物的特别宽的操作温度范围上,维持材料组合物的材料内聚性并因此维持材料完整性。
[0053] 这特别意味着,在低温下,例如在室温范围内,材料组合物在其各个给定的聚集态下具有特别合适的可处理性。另一方面,在高的操作温度下,材料组合物的材料完整性和内聚性也不会降低,从而维持基于材料完整性的机械性质。这意味着,产生的各个产物在高温下不瓦解和/或也不会形成明显的孔。
[0054] 低温范围内的材料完整性基本上通过载体组分而实现,而在特别是超过700℃的高温范围内,材料完整性可能通过添加剂组分而实现,例如通过添加剂组分形成玻璃或者烧结而实现。因此,当载体组分在高温下例如通过氧化过程而分解时(因为载体组分例如由石墨组成),由于添加剂组分的成分的性质,材料组合物的材料完整性得以全部维持,特别是当添加剂组分的成分为陶瓷成分或成玻璃成分时。
[0055] 在本发明中,术语载体成分和添加剂成分应被理解为通常的含义。载体组分一方面实际上可以是碳材料或石墨材料,也可以是树脂材料等。重要的是,载体组分在低温范围内实现材料完整性,此外还可能实现机械柔韧性和/或弹性,例如箔的弯曲性等。因此,通过添加剂组分可以一方面保证高温范围内的材料完整性。此外,通过加入所谓的功能性添加剂,例如通过加入影响导电性的功能性添加剂,可以拓宽材料组合物的性质范围。当然,例如当实际用于产生粘合的材料本身仅具有不足的导电性时,也可向载体组分加入相应的功能性添加剂。
[0056] 基于附图解释本发明的所述方面和其它方面。

附图说明

[0057] 图1A-C显示了根据第一个实施方案的本发明的材料组合物的用途,其中将材料组合物施加至工件表面上。
[0058] 图2A-C显示了本发明的材料组合物的另一用途,其中以浸渍的方式将材料组合物引入待处理工件的表面范围内。
[0059] 图3A-4C以图解和部分剖面的形式显示了本发明的材料组合物的另一用途,其中再处理圆柱体物件,例如电极等。
[0060] 图5A-C以图解和部分剖面的形式显示了本发明的材料组合物的另一形式的用途,其中将具有本发明的材料组合物的多个层施加至物件表面上。
[0061] 图6A-C以图解和部分剖面的形式显示了本发明的材料组合物作为两个工件之间的密封材料的用途。
[0062] 图7以框图形式显示了本发明的材料组合物的制备方法和使用方法。
[0063] 图8以框图形式显示了本发明的材料组合物的另一制备方法和另一使用方法。 [0064] 图9以框图形式显示了本发明的材料组合物的又一制备方法和又一使用方法。 具体实施方式
[0065] 下文描述本发明的实施方案。本发明的全部实施方案及其技术特征和性质可单独分离或无限制地自由相互随意组合。
[0066] 在下文中结合附图,结构和/或功能相同、作用相似或相同的特征或元件用相同的附图标记表示。在每种情况下,不再每次重复这些特征和元件的详细说明。
[0067] 如1A至1C以图解和部分剖面的形式显示本发明的材料组合物的实施方案的第一种应用可能性。
[0068] 在此,在待处理材料20(例如根据图1A中所示布置的工件100或工具100)的表面20a上根据图1B施加本发明的材料组合物10的单层。本发明的材料组合物10可作为箔10-1拉延或者作为液体、粘稠、糊状或凝胶状涂层10-2施加。这例如在室温下进行,并且本发明的材料组合物10在此具有一定的第一构造或起始构造10'并根据本发明包括载体组分11(例如具有石墨11'或树脂11")和添加剂组分12(具有一种或多种添加剂12'、12")。
[0069] 然后可以进行中间步骤或再处理步骤,例如温度步骤。所述步骤或者可以基于较高的操作温度,或者可以由明确的高温处理步骤组成。
[0070] 在此可以想到的是,根据图1C,本发明的材料组合物10在高温范围内或者在高温步骤过程中或之后具有第二构造10"。如图1C中所示,所述第二构造10"也可伴随着压实并因此伴随着本发明的材料组合物的体积减少。然而这并不是必须的。还可想到的是,本发明的材料组合物10在整个温度范围上维持构造10'。
[0071] 在实践中,本发明的材料组合物10可以通过由具有石墨11'和陶瓷添加剂12'、12"的混合物形成的箔10-1而形成。在室温下,在这种情况下所产生的箔10-1不仅包含作为载体组分11的石墨还包含作为添加剂组分12的陶瓷 成分12'、12"。在极高的温度下,本发明的材料组合物10的一些或全部成分可氧化。例如,此时本发明的材料组合物10的构造10"中的大部分石墨11'消失,相反,陶瓷成分12'、12"重新组织到本发明的材料组合物的第二构造10"中,例如转化成玻璃状态,其中这例如伴随着减少的体积,而不会损失材料完整性、材料连续性或内聚性。
[0072] 在根据图2A至2C的实施方案中发生与图1A至1C相当的过程,但是其中不将本发明的材料组合物10施加至基础物件20的表面20a上,而是通过浸渍的方式引入工件100的材料20的表面20a中,如从图2A至图2B的转变所示。因此在图2B中,基于本发明的材料组合物10的实施方案,物件100以具有表面浸渍材料的改善的形式存在。
[0073] 向图2C的转变显示了,在高温处理(其明显或不明显地基于使用经处理物件20时升高的操作温度)之后,浸渍表面20a的范围内发生反应,从而产生与图2B中所示的第一构造10'不同的第二构造10"。
[0074] 应注意的是,第一和第二构造10'和10"的差异并不是强制性的。基本上可以想到的是,本发明的材料组合物10在被完成并被施加或引入至物件100的材料20中之后,在整个温度范围上维持不变。
[0075] 图3A至4C以与图1A至1C相似的方式显示了本发明的材料组合物10在圆柱体物件100(例如电极,优选电弧电极等)中的实施方案的用途。在此,图3A至3C以侧面剖视图显示了圆柱体形状,相反图4A至4C以圆柱轴向的观察方向显示了圆柱体物件100或电极100。
[0076] 此处也再次显示了制备过程的三个阶段,即在图3A和4A中,物件100处于其起始形式,在图3B和4B中,表面20a、100a上涂覆有本发明的材料组合物10的由材料20形成的物件100处于其第一构造或低温构造10',并且在图3C和4C中处于第二构造或高温构造10",其中在第二构造或高温构造10"中,产生压实以及相应的体积缩减同时维持材料完整性。
[0077] 图5A至5C显示了与图1A至1C类似的构造,然而其中以多层的方式将本发明的材料组合物10施加至基础材料20或物件100的表面20a、100a上,如图5B中所示。当图5B中所示的第一构造或低温构造10'向图5C中所示的第二构造或高温构造10"转换时,本发明的材料组合物10的层结构基本上发生分解,通过层的损失而产生本发明的材料组合物10在物件100的材料20的表面20a、100a上的压实布置10"。
[0078] 根据图5B的本发明的材料组合物10的多层结构可例如通过箔10-1的多层交叠而实现。还可想到任选地通过中间设置干燥步骤重复施加涂层10-2。
[0079] 图6A至6C中显示了如何以密封材料10-3的方式将本发明的材料组合物10引入第一和第二管状物件101和102之间。
[0080] 在图6A中,两个管状件101、102或物件101、102相互在空间上分离并在各自的端部处相互形成第一个和第二个合适的法兰101f和102f。将图20C中以俯视图显示的基于本发明的材料组合物10的环形密封材料10-3施加至第一个物件101(即第一个管101)的第一个法兰101f上。在从图6A向图6B转变时,通过第一个和第二个螺纹元件101s和102s使第一个和第二个管状件101和102在具有由本发明的材料组合物10构成的密封材料10-3的第一个和第二个法兰101f和102f上正面相互结合。
[0081] 由于出色的材料性质,即在较宽温度范围内的稳定的材料完整性,本发明的材料组合物10适合在第一个和第二个法兰101f和102f的区域内密封第一个和第二个管101和102之间的间隙,其中泄露速度相对于已知的母密封材料等显著降低。
[0082] 基于如下说明以及不同的实施例进一步描述所述方面和其它方面。
[0083] 实施例1:
[0084] 此处描述制备方式和用于研究本发明的材料组合物10的性质的试验方式。 [0085] 使市售购得的石墨硫酸氢盐11'(SS3,Fa.Sumikin Chemical Co.,Ltd;东京,日本)骤热到1000℃,从而得到石墨膨胀物。使5.0g如此获得的膨胀材料与两种添加剂12'、12"(即1.3g d50值为15μm的B4C-粉末(Fa.ESKCeramics GmbH & Co.KG,肯普滕)和3.7g d50值为6μm的SiC-粉末(Fa.ESK-SIC GmbH,弗雷兴))在转鼓混合机中混合,并压制成厚度为1mm且直径为90mm的圆盘状箔10-1。如此获得的箔为材料连续的且机械柔韧的。 [0086] 使所述箔10-1在1300℃下在白金坩埚中暴露于空气以用于进一步研究。定期确定箔的质量损失。约3小时之后达到约6.5g的恒定质量。箔在温度处理之后维持稳定,无孔并且易碎。
[0087] 实施例2:
[0088] 根据实施例1中描述的方法制备用不同的陶瓷粉末12'、12"填充的石墨箔10-1。陶瓷添加剂12'、12"的d50值在5μm和50μm之间。样品的组成 总结在表1中。称重这些样品,在700℃下在空气流(600l/h)中放置1小时,然后再次称重。在所述温度处理之后,所有样品形成稳定、无孔并且易碎的箔10-1。
[0089] 质量损失百分比列于表2中。作为对比样品,以相同方式处理高度氧化保护的、市售购得的具有相同尺寸的石墨箔10-1(Sigraflex APX2,Fa.SGLTechnologies GmbH,迈廷根)。该样品在温度处理之后也无孔,但是柔韧。
[0090] 对比箔和本发明的材料组合物的本质区别在于,载体组分和添加剂组分之间的体积比显著不同于本发明提出的体积比,在对比箔中为99:1的范围内,即99体积%的对比箔由载体组分形成,因此在试验中相应地提供1%的灰化值。
[0091]样品 膨胀材料 添加剂1 添加剂2
1 5g 1.3g B4C 3.7g SiC
2 5g 2.2g TiB2 2.8g Si
3 5g 2.5g TiO2 2.5g Si
[0092] 表1:用陶瓷粉末填充的箔的组成
[0093]样品 参照 1 2 3
质量损失[%] 8 5 13 52
[0094] 表2:700℃下1小时之后的质量损失
[0095] 实施例3:
[0096] 使具有实施例2中所述组成的样品在1300℃下在铂金坩埚中在空气中氧化1小时。质量损失总结于表3中。用陶瓷粉末12'、12"填充的所有箔10-1在温度处理之后稳定、无孔并且易碎。未填充的参照样品完全被氧化。
[0097]样品 参照 1 2 3
质量损失[%] 100 36 15 53
[0098] 表3:1300℃下1小时之后的质量损失
[0099] 实施例4:
[0100] 作为应用实施例,在由合成石墨形成的直径为50mm且高度为30mm的圆柱体100(其可充当例如电弧电极的模型)的侧面上包裹2层1mm厚的石墨箔10-1,所述石墨箔10-1用两种添加剂12'、12"(即TiB2和Si)填充,即根据表1样品2的组成,从而形成总共54mm的外径。用酚醛树脂将箔固定在圆柱体100的表面上。不覆盖圆柱体100的正面。使圆柱体100在1300℃下在空气中氧化3小时。此时侧面上的填充的石墨箔10-1转化成陶瓷箔或陶 瓷层10"。温度处理之后,包裹的圆柱体100的外径不变。在未覆盖的正面上观察到氧化痕迹。
[0101] 使由合成石墨形成的直径为50mm高度为30mm的圆柱体形状的对比模型也在1300℃下在空气中氧化3小时,但是不具有氧化保护箔。在温度处理之后,在整个样品表面或圆柱体表面上观察到氧化痕迹,圆柱体的外径在温度处理之后为45mm。
[0102] 实施例5:
[0103] 除了箔之外,使用本发明的材料组合物也可制备基本上具有液体一致性的材料10-2:
[0104] 在此,在由50g酚醛树脂(SP 227,Fa.Hexion Speciality Chemicals,Inc.)和50g乙醇组成的溶液(其充当本发明的载体组分11)中,搅拌加入作为添加剂12'、12"的22g TiB2-粉末(d50为10μm),28g Si-粉末(d50为20μm)和40g石墨粉末(d50为5μm)(其作为额外的提供导电性的功能性添加剂),其中所述混合物充当本发明的添加剂组分12,并且总组合物的石墨成分在低温下赋予导电性。产生可涂覆的稀液体混合物,所述混合物用作涂层10-2。
[0105] 用刷子以约0.5mm的层厚度将所述混合物施加至在由合成石墨形成的圆柱体(直径:50mm,高度:100mm)的侧面和正面上,并在室温下干燥24小时。然后使样品在1300℃下在空气中氧化1小时。此时涂层转化为陶瓷层,没有观察到其它氧化迹象。
[0106] 实施例6:
[0107] 提供导电性的组分不一定基于石墨或碳:
[0108] 再次地,在由50g酚醛树脂(SP 227,Fa.Hexion Speciality Chemicals,Inc.)和50g乙醇组成的溶液(其再次充当本发明的载体组分11)中,搅拌加入33g TiB2-粉末(d50为10μm),42g Si-粉末(d50为20μm)和75g铜粉(d50为10μm),其中所述粉末混合物充当本发明的添加剂组分12,并且此时总组合物的铜成分在低温下赋予导电性。再次产生可涂覆的稀液体混合物,所述混合物用作涂层10-3。
[0109] 用刷子以约0.5mm的层厚度将所述混合物施加至由合成石墨形成的圆柱体(直径:50mm,高度:100mm)的侧面和正面上,并在室温下干燥24小时。然后使样品在1300℃下在空气中氧化1小时。此时涂层转化为陶瓷层, 没有观察到其它氧化迹象。
[0110] 实施例7:
[0111] 根据实施例1中描述的方法制备用作为添加剂12'、12"的不同的陶瓷粉末填充的石墨箔10-1。样品的组成总结在表4中。厚度在此为1mm(样品1和2)或0.5mm(样品3)。添加剂的d50值在5μm和200μm之间。称重这些样品,在700℃下在空气流(100l/h)中各放置1小时,然后再次称重。然后重复该温度处理直至达到10小时的总数。在所述温度处理之后,所有样品形成稳定、无孔并且部分柔韧的箔10-1。
[0112] 质量损失百分比列于表4中。作为对比样品,以相同方式处理高度氧化保护的、市售购得的具有相同尺寸的石墨箔(Sigraflex APX2,Fa.SGLTechnologies GmbH,迈廷根)。该样品在温度处理之后也无孔,但是柔韧。
[0113]样品 膨胀材料 添加剂1 添加剂2
1 5g 1.1g B4C 0.3g Zr(HPO4)2
2 5g 1.1g B4C 0.3g TiO2
3 2.2g 0.9g B4C 0.1g TiO2
[0114] 表4:用陶瓷粉末填充的箔的组成
[0115]样品 参照 1 2
质量损失[%] 75 27 70
[0116] 表5:700℃下10小时之后的质量损失
[0117]样品 参照 3
质量损失[%] 72 52
[0118] 表6:700℃下5小时之后的质量损失
[0119] 根据实施例6制备的箔在温度处理中显示出易脆性,但是还维持部分柔韧性,使其能够用作用于传统密封应用(例如用于密封法兰连接件)的材料。在高温范围内使用是特别有可能的,高温范围内的应用目前为止主要被云母基材料及其组合所占据。即使在陶瓷实施方案变体中,在温度处理之后也存在可压缩性以及与未处理表面的匹配性。 [0120] 检验样品1和样品2根据DIN EN 28090-1的以ml/min计的泄露速度并与市售购得的云母密封材料(参照)对比。测得的泄露速度列于表7中。
[0121]样品 泄露速度(ml/min)
1 3
2 3
参照 800
[0122] 表7:根据DIN EN 28090-1与参照相比的泄露速度
[0123] 在图7和8中以流程图的形式描述了用于制备和使用本发明的材料组合物10的两个一般方法形式,其也涵盖了上述实施例1至7。
[0124] 在图7中所示的过程中,本发明的材料组合物10以箔10-1的形式提供并任选地使用。
[0125] 首先在步骤S1中提供石墨材料11',并在步骤S2中进行膨胀工序。在步骤S3中任选地研磨获得的膨胀材料和/或添加功能性添加剂。作为步骤S3的结果获得本发明的材料组合物10的载体组分11。
[0126] 另一方面,在步骤S4和S6中提供第一和第二添加剂12'和12"(例如B4C和/或SiC),并在步骤S5和S7中任选地各自研磨和/或添加功能性添加剂。在步骤S8中,以相应的混合比例获得步骤S4至S7的中间产物作为添加剂组分12。
[0127] 然后在步骤S9中,根据本发明使载体组分11和添加剂组分12以约1:9至约7:3范围内的一定的体积比混合,并且在步骤S10中压制成氧化保护箔10-1。
[0128] 一方面可以随后进行根据步骤S15的本发明的材料组合物10的后处理步骤和/或储存步骤。
[0129] 另一方面可以与在步骤S11中提供工件100相结合再次进行箔10-1的应用。在此任选地,首先在步骤S12中用用于箔10-1的粘合剂(例如用树脂)处理工件100。然后例如在步骤S13中用由本发明的材料组合物形成的箔10-1包裹工件100。然后在步骤S14中任选地进行后处理和/或储存包裹的工件100。
[0130] 另一方面,在图8中所示的过程中,本发明的材料组合物10以涂层10-2的形式提供并任选地使用。
[0131] 首先在步骤T1中提供树脂材料11",并在步骤T3中任选地通过混合而与溶剂(例如乙醇)混合。作为步骤T3的结果获得本发明的材料组合物10的 载体组分11。
[0132] 另一方面,在步骤T4和T6中再次提供第一和第二添加剂12'和12"(例如B4C和SiC),并在步骤T5和T7中任选地分别研磨和/或混以功能性添加剂。在步骤T8中,再次以相应的混合比例获得步骤T4至T7的中间产物作为添加剂组分12。
[0133] 然后在步骤T9中,再次根据本发明使载体组分11和添加剂组分12以约1:9至约7:3范围内的一定的体积比混合,并且在步骤T10中提供成氧化保护涂层10-2。
[0134] 一方面可以随后进行根据步骤T15的本发明的材料组合物10的后处理步骤和/或储存步骤。
[0135] 另一方面可以与步骤T11中提供工件100相结合再次进行涂层10-2的应用。在此,首先在步骤T13中用涂层10-2通过涂覆处理工件100。然后在步骤T14中任选地进行后处理和/或储存涂覆的工件100。
[0136] 在图9中所示的本发明的材料组合物10的制备方法中,所述材料组合物10再次构造为箔10-1,但是基于液体、粘稠、糊状或凝胶状树脂材料11"和/或具有液体、粘稠、糊状或凝胶状中间产物。
[0137] 因此,步骤U1至U9基本上各自对应于步骤T1至T9。
[0138] 在步骤U10中,本发明的材料组合物10以流体,即液体、粘稠、糊状或凝胶状中间形式获得和提供。
[0139] 在步骤U15中,液体、粘稠、糊状或凝胶状材料组合物10任选地储存和/或后处理,例如熟化或添加功能性添加剂。
[0140] 在步骤U15a中,将液体、粘稠、糊状或凝胶状的中间形式的本发明材料组合物10浇铸成箔10-1,并任选地压制和/或固化。
[0141] 在步骤U11和U12中,再次提供工件100并任选地用粘合剂预处理所述工件100。 [0142] 在步骤U13中,用树脂基箔10-1包裹工件,然后在步骤U14中任选地后处理。 [0143] 附图标记列表
[0144] 10本发明的材料组合物
[0145] 10'本发明的材料组合物10的第一构造或低温构造
[0146] 10"本发明的材料组合物10的第二构造或高温构造
[0147] 11载体组分
[0148] 11'石墨、碳
[0149] 11"树脂
[0150] 11-1箔
[0151] 11-2涂层
[0152] 11-3密封
[0153] 12添加剂组分
[0154] 12'陶瓷添加剂
[0155] 12"陶瓷添加剂
[0156] 20工件或工具100的材料
[0157] 20a材料20的表面
[0158] 100物件、工件坯、工件、工具、石墨基或碳基物件、石墨增强或碳增强的物件 [0159] 100a表面、表面区域
[0160] 102第一个物件、第一个工件坯、第一个工件、第二个工具、第一个管、第一个石墨基或碳基物件、第一个石墨增强或碳增强的物件
[0161] 101a表面、表面区域
[0162] 101f法兰、第一个法兰
[0163] 101s螺纹元件、第一个螺纹元件
[0164] 102第二个物件、第二个元件、第二个工件、第二个工具、第二个管、第二个石墨基或碳基物件、第二个石墨增强或碳增强的物件
[0165] 102a表面、表面区域
[0166] 102f第二个法兰
[0167] 102s第二个螺纹元件
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