耐摩耗性接着剤に炭化ケイ素を添加する方法

 

1. 炭化ケイ素の選択と前処理

(1)粒子の種類の選択

粒子サイズ: 耐摩耗性の要件に応じて、さまざまなメッシュ サイズ (通常 200 メッシュから 2000 メッシュ) を選択します。

粗粒子(50〜200μm):衝撃の大きい摩耗シナリオ(鉱山設備のコーティングなど)で使用されます。

微粒子(1~50μm):微細耐摩耗層(精密メカニカルシールなど)に使用されます。

ナノスケール (<1μm): 複合材料の密度と表面仕上げが向上します。

形態:

角張った粒子: 機械的な連結を強化し、摩擦係数を高めます。

球状粒子:流動性を向上させ、接着内部応力を軽減します。

(2)表面改質
接着マトリックスとの適合性を向上させるために、SiCは表面処理される必要がある。

シランカップリング剤処理(KH-550、KH-560など):エポキシ樹脂、ポリウレタンなどの有機接着剤との界面接着強度を高めます。

酸洗浄/アルカリ洗浄:表面の酸化物を除去し、活性を向上させます。

プラズマ処理:高性能ナノ複合材料に適しています。

2.添加方法と処方設計
(1)直接混合法
手順:SiC粒子と接着剤マトリックス(エポキシ樹脂、ポリウレタンなど)を機械的撹拌または超音波分散により均一に混合する。

添加比率:

低荷重(5%〜15%):接着剤の柔軟性を維持し、薄いコーティングに適しています。

高負荷(30%〜60%):耐摩耗性が大幅に向上しますが、脆性亀裂を防ぐために強化剤(ゴム粒子など)が必要です。

(2)傾斜分布設計
多層コーティング:まず基材表面にSiC含有量の多い層(耐摩耗性)を塗布し、次にSiC含有量の少ない層(強靭性)を塗布します。

遠心沈降法:遠心力を利用して、硬化前に表面の SiC を濃縮します(厚いコーティングに適しています)。

(3)複合補強システム
他の充填材との連携:

SiC + グラファイト: 摩擦係数を低減し、自己潤滑コーティングに適しています。

SiC + カーボンファイバー:耐衝撃性と熱伝導性を向上。

3. 硬化プロセスの最適化
温度制御:

エポキシ樹脂系:80~150℃で硬化するとSiCの沈殿が低減します。

ポリウレタン システム: 室温での硬化では、粒子の凝集を防ぐために長時間の撹拌が必要です。

圧力補助:ホットプレス(5〜10MPaなど)によりSiC充填密度を高めることができます。

4. 適用シナリオと代表的なケース
(1)工業用耐摩耗コーティング
輸送パイプラインライニング:40%のSiCエポキシ接着剤を添加すると、耐摩耗寿命が3〜5倍に延長されます。

鉱山機械: ポリウレタン/SiC 複合コーティング (50% 負荷) は、砂や砂利の摩耗に対する耐性が優れています。

(2)航空宇宙用シーラント
ナノSiC(10%〜20%)改質シリコーンゴムは、高温(600℃)および摩耗に耐性があります。

(3)自動車用ブレーキ接着剤
SiCはアラミド繊維と混合され、熱減衰を低減するためにブレーキパッドのバッキングに使用されます。

5. よくある問題と解決策
問題1: 粒子の沈降

解決策: 気相 SiO₂ またはセルロース増粘剤を追加するか、チキソトロピー接着剤マトリックスを使用します。

問題2:界面結合が弱い

解決策: カップリング剤処理またはインサイチュー重合を使用して SiC をコーティングします。

問題3:粘度の増加

解決策: 粒子サイズのグレーディングを最適化 (粗粒子と微粒子の混合) するか、希釈剤を追加します。

概要
耐摩耗性接着剤における炭化ケイ素の核心的価値は、その硬度(モース硬度9.2)と熱安定性(>1600℃)にあります。粒子パラメータ、表面改質、プロセス設計を合理的に選択することで、接着剤の耐摩耗性、熱伝導性、機械的強度を大幅に向上させ、高荷重や高温などの過酷な使用条件にも適応できます。実用化においては、過充填による割れを回避するため、耐摩耗性とマトリックス靭性のバランスをとる必要があります。

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