CN101805200A - 一种轴承用碳/碳复合材料的制备方法 - Google Patents

一种轴承用碳/碳复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴承用低摩擦系数的碳/碳复合材料的制备方法。用于高性能材料制备领域。制备方法如下：预制体可采用下述两种结构中的任一种：即碳毡或三向碳纤维编织体，其中碳毡由聚丙烯腈预氧化纤维整体毡在真空条件下经930～970℃碳化得到；预制件致密：采用化学气相渗透与液相树脂浸渍相结合的工艺。化学气相渗透工艺参数为：前驱体为丙烯，热解温度为900～1000℃。液相树脂浸渍～固化～碳化工艺参数为：前驱体为呋喃树脂，1～5MPa压力下浸渍；固化温度为170～185℃；真空条件下进行碳化，温度为930～950℃。高温热处理温度为2250～2600℃。碳/碳复合材料最终密度达1.8g/cm3以上。

Description

一种轴承用碳/碳复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种轴承用碳/碳复合材料的制备方法，特别涉及一种低摩擦系数的碳/碳复合材料的制备方法，属高性能复合材料制备工艺技术领域。
背景技术
碳/碳复合材料是用碳纤维增强碳基体的一种高技术新材料，与其他摩擦材料相比，具有质轻、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗热震性能好、摩擦系数稳定等一系列优点，目前碳/碳复合材料在民用方面的应用范围还比较狭窄，主要是作为摩阻材料应用于飞机刹车片领域。同时碳/碳材料具有自润滑性能，通过调整工艺参数，碳/碳复合材料在润滑介质或干摩擦条件下能自润滑地工作，因而也适用于轴承等耐磨材料。
目前固体自润滑轴承采用金属基材和固体润滑剂的复合，可在高温、低速、重载、不易形成润滑油膜或油膜易失效的恶劣特殊条件下，实现无油自润滑，达到磨损慢及寿命高的目的，但是不能应用于高速和有污染场合。将碳/碳复合材料用于无油润滑、含油润滑、少油润滑等机械易损件，特别是在高温和有污染的场合等恶劣工况下(如冶金工业，特殊的泵机组)，将会大大延长机器的维修周期，减少润滑油的使用，减轻设备重量、提高生产效益，给社会带来巨大的经济效益。国外已经开展了高温涡轮用碳/碳复合材料轴承罩方面的研究，但国内外还未有碳/碳复合材料在滑动轴承方面的研究报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴承用低摩擦系数、热稳定性能优异的碳/碳复合材料的制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种轴承用碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下工艺步骤：
1、预制件制备
以碳毡或三向碳纤维编织体为预制件，其中碳毡是由聚丙烯腈预氧化纤维整体毡(密度为0.2～0.4g/cm3)在真空条件下经930～970℃碳化得到，三向碳纤维编织体密度为0.70～0.90g/cm3。
2、化学气相渗透和液相树脂浸渍复合工艺致密
(1)化学气相渗透：将上述碳毡或三向碳纤维编织体放入热处理炉，由室温升温至900～1000℃，通入丙烯气体，气流量100～500升/小时，热解时间为60～120小时；
(2)每次热解结束后，将材料取出进行表面加工，然后重复(1)步骤，直至材料达到设计的密度：碳毡经多次化学气相渗透后密度至1.2～1.6g/cm3，三向碳纤维编织体经多次化学气相渗透后密度至1.4～1.6g/cm3；
(3)高温热处理：将(2)中制备的材料放入热处理炉，氩气保护下热处理温度为2350～2600℃；
(4)树脂浸渍-固化-碳化工艺致密。呋喃树脂浸渍：将(3)中制备的材料放入浸渍釜，抽真空同时放入呋喃树脂浸没材料，停止抽真空，加压至1～5MPa；固化：将浸渍结束的材料放入普通烘箱，固化温度为170～185℃；碳化：将固化结束的材料放入热处理炉，抽真空，碳化温度为930～950℃；
(5)重复树脂浸渍-固化-碳化工艺过程，直至材料密度至1.8g/cm3以上；
(6)最终高温热处理：将(5)中制备的材料放入热处理炉，氩气保护下热处理温度为2250～2600℃，既得本发明之碳/碳复合材料。
本发明制备的碳/碳材料组分包括碳纤维、热解碳和树脂碳。本发明特点在于主要是通过控制热解温度、热解时间、气体流量和高温处理温度来控制热解碳的含量和形态，以获得较高热导率、低热膨胀系数和低摩擦系数的碳/碳复合材料。本发明方法制得的碳/碳复合材料，具有低摩擦系数、热稳定性能优异、高强度等优点，适用于轴承材料。本发明方法的优点是工艺简单，可操作性强，制作方便。
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐明本发明的特点和效果。
实施例1
本实施例的预制件采用以针刺工艺技术制备的聚丙烯腈预氧化纤维整体毡，具体工艺步骤如下：
(1)准备好聚丙烯腈预氧化纤维(PANOF)整体毡，密度为0.23g/cm3；
(2)将整体毡放入热处理炉，抽真空，升温至930℃进行碳化，得到碳毡；
(3)将碳毡放在热处理炉中，以丙烯为前驱体，热解温度为1000℃，通入丙烯气体，气体流量为200L/h，热解时间为90小时；
(4)每次热解后将材料取出进行表面加工，重复5次化学气相渗透，材料密度至1.46g/cm3；
(5)将材料在热处理炉中进行处理，氩气气氛下热处理温度为2350℃；
(6)将材料放入浸渍釜，抽真空同时放入呋喃树脂直至浸没材料，停止抽真空，加压至4MPa；将材料放入普通烘箱，固化温度为175℃；将材料放入热处理炉，抽真空，碳化温度为930℃；
(7)重复3次树脂浸渍～固化～碳化工艺，材料密度至1.87g/cm3；
(8)将材料进行高温热处理，氩气保护下处理温度为2250℃。
经以上工艺制备得到密度为1.87g/cm3的碳/碳复合材料。其性能为：XY向弯曲强度为78.8MPa，Z向弯曲强度为44.9MPa；300℃时XY向导热系数74.2W/(m·K)，Z向导热系数36.9W/(m·K)；30℃至300℃：XY向热膨胀系数1.16×10～6/K，Z向热膨胀系数2.09×10～6/K；载荷8016N，干摩擦条件下与AISI3151钢(销)对磨，摩擦系数为0.008。
实施例2
本实施例的预制件采用以针刺工艺技术制备的聚丙烯腈预氧化纤维整体毡，具体工艺步骤如下：
(1)准备好聚丙烯腈预氧化纤维(PANOF)整体毡，密度为0.31g/cm3；
(2)将整体毡放入热处理炉，抽真空，升温至950℃进行碳化，得到碳毡；
(3)将碳毡放入热处理炉，以丙烯为前驱体，热解温度为950℃，气体流量为400L/h，热解时间为110小时；
(4)重复4次化学气相渗透工艺，材料密度至1.32g/cm3；
(5)将材料在热处理炉中进行处理，热处理温度为2600℃；
(6)将材料放入浸渍釜，抽真空同时放入呋喃树脂直至浸没材料，停止抽真空，加压至3MPa；将材料放入普通烘箱，固化温度为180℃；将材料放入热处理炉，抽真空，碳化温度为950℃；
(7)重复4次树脂浸渍～固化～碳化工艺，材料密度至1.84g/cm3；
(8)将材料进行高温热处理，氩气保护下处理温度为2300℃。
经以上工艺制备得到密度为1.84g/cm3的碳/碳复合材料，其性能为：XY向弯曲强度为63.7MPa，Z向弯曲强度为36.5MPa；200℃时XY向导热系数75.6W/(m·K)，Z向导热系数38.3W/(m·K)；载荷4810N，干摩擦条件下与AISI3151钢(销)对磨，摩擦系数为0.019。
实施例3
本实施例预制件采用三向碳纤维编织体，其具体工艺如下：具体工艺步骤如下：
(1)准备好三向碳纤维编织体，密度为0.81g/cm3；
(2)将三向碳纤维编织体放在热处理炉中，以丙烯为前驱体，热解温度为960℃，气体流量为300L/h，热解时间为120小时；
(3)重复4次化学气相渗透，将三向碳纤维编织体密度制备至1.54g/cm3；
(4)将材料进行高温热处理，氩气保护下热处理温度为2400℃；
(5)将材料放入浸渍釜，放入树脂直至浸没材料，加压至5MPa；将材料放入普通烘箱，固化温度为180℃；将材料放入热处理炉，抽真空，碳化温度为950℃；
(6)重复3次树脂浸渍～固化～碳化工艺，材料密度至1.87g/cm3；
(7)将材料进行高温热处理，氩气保护下处理温度为2350℃。
经以上工艺制备得到密度为1.87g/cm3的碳/碳复合材料。其性能为：XY向弯曲强度为151MPa，Z向弯曲强度为91.3，300℃时XY向导热系数80.0W/(m·K)，Z向导热系数27.9W/(m·K)；30℃至300℃：XY向热膨胀系数～0.16×10～6/K，Z向热膨胀系数～0.15×10～6/K；载荷6012N，干摩擦条件下与AISI3151钢(销)对磨，摩擦系数为0.015。
综合上述实施例碳/碳复合材料的性能测试，根据本发明方法制备的碳/碳复合材料能满足轴承材料高强度、低摩擦系数、热稳定性好的要求，同时由于碳/碳复合材料本质上是碳/石墨材料，具有耐高温、耐腐蚀的特性，特别适用于高温、有污染等特殊条件下的轴承。

Claims (1)

1.一种轴承用碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于该方法的工艺步骤如下：
预制件制备
1)以碳毡或者密度为0.7～0.9g/cm3的三向碳纤维编织体为预制件，碳毡由密度为0.2～0.4g/cm3的聚丙烯腈预氧化纤维整体毡在真空条件下经930～970℃碳化得到；
化学气相渗透和液相树脂浸渍复合工艺致密
2)化学气相渗透：将碳毡或三向碳纤维编织体放入热处理炉，由室温升温至900～1000℃，通入丙烯气体，气体流量100～500升/小时，热解时间为60～120小时；
3)重复步骤2)，直至碳毡密度至1.2～1.6g/cm3，或者直至三向碳纤维编织体密度至1.4～1.6g/cm3；
4)高温热处理：将步骤3)中制备的材料放入热处理炉，在氩气保护下温度为2350～2600℃进行热处理；
5)树脂浸渍-固化-碳化工艺致密：将浸渍釜抽真空，抽真空同时放入呋喃树脂直至浸没步骤4)中制备的材料，停止抽真空，加压至1～5MPa；将浸渍后的材料放入普通烘箱，固化温度为170～185℃；将固化后的材料放入热处理炉，真空条件下碳化，温度为930～950℃；
6)重复步骤5)，直至材料密度达1.8g/cm3以上；
7)最终高温热处理：将步骤6)制备的材料放入热处理炉，在氩气保护下温度为2250～2600℃进行热处理。
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