[发明专利]耐高温的复合材料

说明书

本发明内容是耐高温的复合材料，适用于热绝缘、加热护板、炉内插入件等中。

用于高温炉和高温反应器的结构材料必须是热绝缘的而且还要耐受高温并且相对于炉或反应器内的反应性或释放的物质呈现惰性。由于其很高的耐热性，因此对于高温应用，即在高于800℃甚或高于1000℃的温度下并且在非氧化性气氛中通常使用基于碳或石墨的结构材料。

通过热辐射(主要是在高于1000℃的温度下)以及通过热传导和对流(主要是在低于1000℃的温度下)，可以实现通过绝热而避免热损失。致密的反射性材料一方面适于抑制热辐射和热对流，但另一方面也会随着密度的增加而提高导热性。较小密度的材料也一方面适于抑制热传导，但另一方面又不太合适抑制对流。

因此，优选要由层状复合材料构成绝热体，其含有至少一种用以绝缘热传导的且导热性相对较小的耐高温性材料(例如由碳纤维构成的毡)和第二种用以绝缘热辐射和对流的致密反射性材料(例如石墨箔片)。较为致密的材料还有利于复合材料的机械稳定性。

石墨箔片特别适于作为用于热绝缘的复合材料的成分，因为其是可弯曲和柔韧的，也适用于对于炉和反应器所典型的圆形。另外，石墨箔片的特点也在于其导热性的各向异性。因为在箔片平面内存在优选的热传导，所以可以避免在绝缘体内发生温度平衡和局部过热(热点)的现象。其他优点是有着很小的液体渗透性和石墨箔片的反射性表面。石墨箔片一般具有0.3至1.5cm范围内的厚度和0.4至1.6g/cm³范围内的密度。

已知，通过压缩由热冲击处理膨胀的石墨(膨胀石墨)，可获得石墨箔片。

在WO2004/063612的专利申请中记载了一种绝热复合体，其包括由较高压实的膨胀石墨(密度至少0.4g/cm³，优选0.5至1.6g/cm³)构成的至少一层和由压实不是很高的膨胀石墨(密度小于0.4g/cm³，优选0.05至0.3g/cm³)构成的至少一层，其通过碳化粘结剂(碳化酚醛树脂，沥青或类似物)而相互粘合而成。将由压实较高的膨胀石墨构成的层设置得较薄，能允许机械稳定性和不渗透性方面的要求(一般为0.3至1.5mm)；而由压实不是很高的膨胀石墨构成的层设置得较厚，使得能满足热绝缘的需求(一般在5至20mm之间)。可以将结构构造成夹层形式，并且其中由较高压实的膨胀石墨构成的两个层包围一个由压实不是很高的膨胀石墨构成的层。如此可以抑制颗粒从压实不是很高的层体中析出。

根据WO2004/063612，复合体的制备包括以下几个基本步骤：

·由膨胀石墨制备至少一个压实不是很高和至少一个压实较高的层

·相互粘结各层体，其中

·以可碳化的粘结剂涂覆压实不是很高的层，

·从粘结剂中蒸发可能存在的溶剂，

·将压实较高的层置于涂覆有粘结剂的压实不是很高的层之上和

·通过在非氧化性气氛中和在至少符合所要制备的绝缘材料的使用温

度的温度下(一般在800至1000℃之间)热处理，碳化粘结剂。

WO2004/092628公开了一种绝热材料，其含有至少一层石墨箔片或由多层石墨箔片构成的层合体，以及至少一个由在导热性方面各向同性的绝热的碳纤维增强碳材料构成的层。石墨箔片构成的层合体厚度优选为不超过2cm，各向同性的绝缘层厚度为1至10cm而密度优选为0.1至0.5g/cm³。由石墨箔片构成的较内层(即朝向热源的层)能起到反射作用并且抑制局部过热。较外层则由于其密度很小而会减小通过热传导引起的热损失。

将相互之间所要层合的石墨箔片交替地与一层两面都涂覆以可碳化胶粘剂(例如酚醛树脂)的、且在加热时会分解而留下碳残留物的材料(例如牛皮纸)堆叠起来。在中间层分解时所形成的孔隙，允许在胶粘剂固化和碳化过程中释放出的气体排出。利用可碳化的接合剂可以实现将石墨箔片构成的层合体与各向同性的碳纤维增强的碳构成的层相结合。优选所述接合剂除了溶剂和可聚合的单体外还含有所谓的碳颗粒填料，且其体积份数为20至60％。作为合适的碳颗粒，推荐使用粒径小于20μm的碳黑、沥青或研磨的焦炭。在建立石墨箔片层合体与碳纤维增强的碳层之间的结合时，首先要在250℃至300℃的温度下活化接合剂，并接着进一步加热到800℃进行碳化。

对于这种层状复合材料可靠的功能来说关键因素即是由不同材料组成的层间的结合。这种结合必须要保证可靠的连接，但另一方面不允许在所要连接的层间起到显著的热传导作用。