CN101239835B - 一种磁悬浮列车滑撬所用的炭/炭-碳化硅材料的制备方法 - Google Patents

一种磁悬浮列车滑撬所用的炭/炭-碳化硅材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种磁悬浮列车滑撬所用的炭/炭-碳化硅材料的制备方法，依次包括以下步骤：将无纬布与网胎间隔交替叠层针刺制成密度为0.4～0.58g/cm3的准三维炭纤维整体毡后，进行1800℃～2100℃高温处理，采用等温CVI或热梯度CVI法进行热解炭增密，制得密度为1.4～1.5g/cm3的多孔C/C坯体，保护气氛下对坯体进行2000℃～2300℃高温处理，1500℃～1650℃下进行非浸泡式定向熔Si浸渗。本发明解决了由二维炭布叠层制备的C/C-SiC磁悬浮滑撬易分层脱落失效的问题，且生产周期远低于CVI和浸渍炭化制备C/C磁悬浮滑撬的方法，生产工艺简单，生产成本低。

Description

一种磁悬浮列车滑撬所用的炭/炭-碳化硅材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种炭/炭-碳化硅(C/C-SiC)复合材料的制备方法，尤其涉及一种磁悬浮列车滑撬所用的炭/炭-碳化硅(C/C-SiC)复合材料的制备方法。
背景技术
磁悬浮列车是一种新型高速交通工具，最高时速可达500km。作为磁悬浮列车驻车、紧急刹车和被拖曳时的支撑部件，滑撬是承载磁悬浮列车的关键部件，要求有足够的强度和对轨道极低的磨损率。我国从德国引进的磁悬浮列车滑撬为炭布增强炭/炭-碳化硅复合材料，表观密度约为1.67g/cm3，其织物结构为炭布叠层，单层炭布厚度为100～200μm，基体为树脂炭和碳化硅，碳化硅的分布在板的厚度方向比较均匀，SiC重量百分含量约为8％。由于炭布层间没有炭纤维增强，其层间剪切强度较低，易分层和掉边。
C/C复合材料也是一种较理想的磁悬浮列车滑撬材料，我国发明专利CN1647875公开了一种采用化学气相沉积(Chemical Vapor Infiltration，CVI)和浸渍炭化制备C/C磁悬浮列车滑撬的方法，但其工艺周期需500小时以上，生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种层间剪切强度高、工艺周期短、成本低的磁悬浮列车滑撬C/C-SiC复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案，依次按以下步骤制备C/C-SiC复合材料：
(1)将无纬布与网胎间隔交替叠层，采用针刺的方式将各层连在一起，制成准三维炭纤维整体毡，毡体密度为0.4～0.58g/cm3；
(2)将制得的炭纤维整体毡进行1800℃～2100℃高温处理；
(3)采用等温CVI或热梯度CVI法对经高温处理后的炭纤维整体毡进行热解炭增密，沉积200小时左右，制得密度为1.4～1.5g/cm3的多孔C/C坯体；
(4)在保护气氛下，对多孔C/C坯体进行2000℃～2300℃高温处理；
(5)将经高温处理过的C/C坯体在1500℃～1650℃下进行非浸泡式定向熔Si浸渗。
上述步骤(1)中无纬布与网胎比为80～90∶10～20，无纬布与网胎的层间密度为12～18层/cm。
上述步骤(3)的化学气相沉积热解炭增密的碳源气为丙稀、甲烷或丙烷等碳氢气体，稀释气为N2、H2或其混合气体，碳源气与稀释气之比为1∶1～3；沉积温度为900℃～1100℃。
步骤(4)的保护气氛最好为Ar气气氛。
步骤(5)的熔Si浸渗后保温1～2小时；熔Si浸渗所用Si粉粒度为0.01～0.1mm；熔硅浸渗温度为1500℃～1650℃；高温炉内采用负压，或实施充入Ar气的微正压，即真空压力表显示略超过0MPa。由于高温液态Si与C和SiC的润湿角分别为0°和37°左右，液态Si可在毛细管力的驱动下通过C/C坯体中的孔隙渗入坯体内部，同时发生Si-C反应形成SiC基体相，从而得到C/C-SiC复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点：
(1)本发明采用网胎与无纬布相结合制成针刺整体毡，在材料的垂直方向增加了炭纤维，从而提高了C/C-SiC磁悬浮滑撬材料的层间剪切强度，解决了由二维炭布叠层制备的C/C-SiC磁悬浮滑撬易分层脱落失效的问题。
(2)本发明采用化学气相沉积和熔融浸硅相结合的工艺，大幅度缩短了生产周期。本发明中，CVI热解炭的沉积时间约为200小时，熔融浸硅时间不到20小时，总的生产周期低于250小时，这比采用CVI和浸渍炭化制备C/C磁悬浮滑撬的方法的生产周期要短一半，生产成本显著降低。
(3)另外，采用化学气相沉积方法制备热解炭基体，可得到易于石墨化的粗糙层结构热解炭，提高高温处理后C/C坯体的石墨化度，从而降低熔融浸硅时的Si-C反应速度，有利于Si的渗透，从而提高C/C-SiC复合材料结构的均匀性，从而有利于降低滑撬对轨道的磨损。
(4)采用熔融浸硅的技术向C/C坯体渗Si，通过Si-C原位反应添加SiC相，在C/C坯体中形成的SiC成网状结构，从而在摩擦磨损过程中SiC不易脱落，这样提高了材料的耐磨性和抗氧化性。
附图说明
图1：实施例1所制备的C/C-SiC复合材料滑撬照片
具体实施方式
实施例1
制备尺寸为114mm×72mm×32mm的由炭纤维毡体增韧的磁悬浮列车滑撬C/C-SiC复合材料。其制备过程为：将T700炭纤维无纬布和网胎针刺成整体炭毡，密度为0.58g/cm3；将整体炭毡进行1800℃高温热处理，采用Ar气为保护气体；在沉积温度为1100℃，碳源气为丙稀CH4，稀释气为H2，CH4∶H2体积比为1∶2的条件下，采用CVI工艺沉积热解炭增密炭纤维毡体，使其密度达到1.42g/cm3左右；将C/C坯体在高温炉内以Ar气保护进行2000℃高温热处理，保温2小时；按理论需Si量的1.2倍添加Si粉，Si粉粒度为0.01～0.1mm，将Si粉与C/C坯体置于石墨坩埚内，轻压。将石墨坩埚置于高温炉内进行熔融浸硅，熔硅浸渗温度为1500℃～1650℃，高温炉内采用负压，或实施充入Ar气的微正压(真空压力表显示略超过0MPa)熔硅浸渗，保温1～2小时。将得到C/C-SiC复合材料进行机械加工，制成如附图1的磁悬浮滑撬块，其密度为2.0g/cm3，抗压强度为260MPa，冲击韧性为20kJ/m2，断裂韧性为24MPa·m1/2。
实施例2
将T300炭纤维无纬布和网胎针刺成整体炭毡，密度为0.4g/cm3；将整体炭毡进行2100℃高温热处理，采用Ar气为保护气体；在沉积温度为900℃，碳源气为丙稀C3H6，稀释气为N2，C3H6∶N2体积比为1∶3的条件下，采用CVI工艺沉积热解炭增密炭纤维毡体，密度达到1.5g/cm3左右；C/C坯体在高温炉内进行2300℃高温热处理，Ar气保护，保温2小时；按理论需Si量的1.3倍添加Si粉，将Si粉与C/C坯体置于石墨坩埚内；将放置了Si粉和C/C坯体的石墨坩埚装入高温炉内，在负压下1650℃进行熔融浸硅，保温1小时，制得磁悬浮滑撬C/C-SiC复合材料，材料密度为2.0g/cm3，抗压强度为251MPa，冲击韧性为18kJ/m2，断裂韧性为23MPa·m1/2。

Claims (6)

1.一种磁悬浮列车滑撬所用的炭/炭-碳化硅材料的制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：
(1)将无纬布与网胎间隔交替叠层，采用针刺的方式将各层连在一起，制成准三维炭纤维整体毡，毡体密度为0.4～0.58g/cm3；
(2)将制得的炭纤维整体毡进行1800℃～2100℃高温处理；
(3)采用等温CVI或热梯度CVI法对经高温处理后的炭纤维整体毡进行热解炭增密，沉积200小时左右，制得密度为1.4～1.5g/cm3的多孔C/C坯体；
(4)在保护气氛下，对多孔C/C坯体进行2000℃～2300℃高温处理；
(5)将经高温处理过的C/C坯体在1500℃～1650℃下进行非浸泡式定向熔Si浸渗。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中无纬布与网胎质量比为80～90∶10～20，无纬布与网胎的层间密度为12～18层/cm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)的CVI热解炭增密的碳源气为丙稀、甲烷或丙烷中的一种；稀释气为N2、H2或其混合气体；碳源气与稀释气体积比为1∶1～3。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述CVI热解炭增密沉积温度为900℃～1100℃。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)的保护气氛为Ar气气氛。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)的熔Si浸渗后保温1～2小时；熔Si浸渗所用Si粉粒度为0.01～0.1mm；熔硅浸渗温度为1500℃～1650℃；高温炉内采用负压，或实施充入Ar气的微正压。
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