CN101818048B - 一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法，包括下列步骤：1、将炭纤维预制体进行高温热处理；2、将热处理后的炭纤维预制体进行化学气相渗透和(或)树脂浸渍/炭化致密化处理，得到低密度炭纤维增强基体炭(C/C)多孔体材料；3、Cu、Si熔渗粉配制；4、将Cu、Si熔渗粉置于石墨坩锅中，将C/C多孔体材料平铺于石墨坩锅中的粉末上，于高温真空炉中进行非浸泡式熔融浸渗，通过Si与C及Si与Cu的反应复合成一体制得铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料。本发明生产工艺简单易控，制备成本低，制备的材料微观结构和性能可控、导热性能优异；可实现工业化生产，在飞机、高速列车和汽车等军民领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域：
本发明公开了一种炭/陶摩擦材料的制备方法，具体地说是一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料及制备方法，属于新材料技术领域。
背景技术
炭纤维增强炭基和陶瓷基(简称为炭/陶，具体到本发明即C/C-SiC)摩擦材料是继粉末冶金和炭/炭复合材料之后，于20世纪90年代中期发展起来的一种高性能摩擦材料。与传统金属和半金属摩擦材料相比，C/C-SiC摩擦材料具有密度低(约为2.0g/cm3)、耐腐蚀、制动平稳、摩擦系数高、环境适应性强等优点；与炭/炭复合材料相比，由于C/C-SiC材料中引入SiC陶瓷硬质相作为基体，不仅有效提高了材料的抗氧化性和摩擦系数，而且显著改善了摩擦性能对外界环境介质(潮气、霉菌和油污等)的稳定性，是一种有着广阔应用前景的摩擦材料，可应用于航空航天、车辆工程、机械工程等领域。
随着科学技术的发展，人们对工业机械的速度和能载水平的要求越来越高，即工业机械的动能在不断增加。摩擦是将动能通过摩擦材料转化为热能的过程，一般将摩擦材料所转化的能量称为能载。动能增大导致摩擦过程中产生的热量随之增加，摩擦表面的温度也就越高。在能载低于某一临界值时，材料的摩擦系数能维持在比较稳定的状态。当能量密度超过临界值时，摩擦面会出现局部过热现象并产生过热点，从而导致摩擦系数不稳定。在材料体系确定的情况下，提高垂直于摩擦面的导热系数，是改善摩擦系数稳定性的有效方法之一。
针对C/C-SiC摩擦材料，提高其垂直于摩擦面的导热系数的主要措施有：(1)使用热导率高的炭纤维(如沥青基炭纤维)；(2)增加纤维与摩擦面之间的夹角；(3)增加C/C-SiC材料中基体的含量；(4)引入高导热金属元素或者基体合金化。上述措施中，通过使用高导热的纤维来提高材料的导热系数，会导致材料制造成本大幅度增加。增加纤维与摩擦面之间的夹角，可以通过纤维预制体的设计得以实现，但是其提升的空间有限。增加材料中基体含量会导致纤维体积含量降低，导致材料的强度和断裂韧性下降。相比之下，在材料中引入高导热的金属元素或者基体合金化是一个能通过工艺调整的方法。
因此，在综合考虑材料制造成本、工艺性、导热性能、力学性能和摩擦磨损性能之间合理匹配的前提下，在C/C-SiC材料体系中引入铜硅合金。铜具有很高的导电性(室温下电阻率为1.63x10-8Ωm)、导热性(室温下导热系数为380Wm-1k-1)、耐蚀性和优良的工艺性能，作为导电、导热功能材料广泛应用于工业生产。高温下Cu与炭材料既不润湿也不发生反应。从Si-Cu二元相图可知，Si和Cu在200℃便开始反应，Cu3Si是Cu和Si反应生成的第一相，并且它也是最富含Si的铜硅金属间化合物。
中南大学冉丽萍等发明的“炭纤维整体织物/炭-铜复合材料及制备方法”(申请号：200710034992.X)是以炭纤维整体织物增密制备得到，是以多孔炭坯为预制体，通过Ti改善炭和铜的润湿性，采用包埋法在预制体的孔隙中渗入铜。与本发明的不同之处主要在于材料体系、技术手段和发明目的不同，本发明是炭/炭-碳化硅材料体系(即炭纤维增强炭基体和碳化硅基体，铜硅合金只是一种性能调节组元)，采用非浸泡式熔融浸渗的方法制得材料，通过铜硅合金来提高材料的导热性能。而冉丽萍等的发明是炭/炭-铜复合材料体系(即炭纤维增强炭基体和铜基体)，采用浸泡式(即包埋法)的工艺制得材料，通过铜来提高材料的导电性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生产工艺简单易控，制备成本低，制备的材料微观结构和性能可控、在保持材料优异摩擦磨损性能、高强度、耐高温和耐腐蚀性的同时，导热性能优异的铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法。所制造的铜硅合金改性炭/陶摩擦材料具有较高的导热性能和良好的摩擦磨损性能。
本发明一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法，包括下列步骤：
第一步：炭纤维预制体高温热处理
将密度为0.1～0.65g/cm3的针刺炭纤维整体毡为预制体，在1500～2300℃进行高温热处理，缓解炭纤维预制体在编织过程中产生的应力，并去除炭纤维束表面的胶及编织过程中引入的有机纤维丝；
第二步：炭纤维预制体致密化
将第一步热处理后的炭纤维预制体进行化学气相渗透和(或)树脂浸渍/炭化致密化处理，得到基体炭，制得密度为1.0～1.6g/cm3的低密度炭纤维增强基体炭(C/C)多孔体材料；
第三步：Cu、Si熔渗粉配制
按重量百分比：Cu∶Si＝(5～50)∶(95～50)配制Cu、Si熔渗粉；
第四步：非浸泡式熔融浸渗
按重量百分比：(Cu、Si熔渗粉)∶C/C多孔体材料＝3∶(1～2)，分别取Cu、Si熔渗粉及第二步所得C/C多孔体材料；将Cu、Si熔渗粉置于石墨坩锅中，将C/C多孔体材料平铺于石墨坩锅中的粉末上，于高温真空炉中进行非浸泡式熔融浸渗，通过Si与C及Si与Cu的反应复合成一体制得密度为1.9～2.4g/cm3的铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料。
本发明中，第一步热处理温度为1500～2300℃，全程时间3～10小时，压力为微正压，氩气惰性气体保护。
本发明中，第二步化学气相渗透的碳源气体为甲烷、丙稀、丙烷或者天然气中的一种，稀释气体为氮气、氢气中的至少一种，碳源气体与稀释气体之比为1∶(1～3)，沉积时间为120～300小时，沉积温度为900～1100℃；树脂浸渍/炭化的原材料为沥青或液态树脂，浸渍温度为50～100℃，炭化温度为800～900℃。
本发明中，第三步Si粉纯度≥99％，平均粒度为0.01～0.1mm，Cu粉纯度≥99％，平均粒度为0.05～0.075mm。
本发明中，第四步非浸泡式熔融浸渗温度为：1500～1900℃，压力为微正压，氩气惰性气体保护，保温时间0.5～2.0h。
发明由于采用上述技术方案，对炭纤维预制体进行高温热处理后采用快速化学气相渗透法和(或)树脂浸渍/炭化进行致密化，制得低密度的C/C多孔体材料，然后采用非浸泡式熔融浸渗技术对C/C多孔体材料同时进行渗Si和渗Cu，通过Si与C及Si与Cu的反应复合成一体制得铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料，通过对炭纤维预制体进行高温热处理，一方面，缓解炭纤维预制体在编织过程中产生的应力，同时，去除炭纤维束表面的胶及编织过程中引入的有机纤维丝；采用非浸泡式熔融浸渗法，Si粉和Cu粉的用量比包埋法大幅度减少，材料后续加工较容易。非浸泡式熔融浸渗过程中，使Si粉和Cu粉熔化，因为Cu与炭材料既不润湿也不发生反应，而Si与炭材料的润湿角接近为0，因此Si粉熔化后迅速渗入C/C多孔体材料，并在表面铺展开来与炭材料反应生成SiC。此时，Cu与炭的界面转化成Cu与硅的界面，Cu与硅的润湿性较好，因此液Cu能渗入C/C多孔体材料与液硅反应生成铜硅合金，少量未反应的熔融硅残留在C/C-SiC摩擦材料中，由铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料的金相显微形貌(见附图1)可知，炭纤维束之间的孔隙由残留Si、SiC和铜硅合金填充，同时铜硅合金与残留硅被SiC基体包围。
本发明与现有技术相比，优点积极效果体现在：
(1)本发明在国内外首次将铜硅合金引入C/C-SiC摩擦材料，其生产工艺简单易控，制备成本低。
(2)通过控制熔渗粉末Si粉和Cu粉的比例，以及非浸泡式熔融浸渗时间，可以控制基体中SiC的含量及Si和Cu反应生成化合物的结构，从而实现对材料微观结构和性能的控制。
(3)通过在C/C-SiC摩擦材料中引入铜硅合金，不仅在材料引入了新的导热组元，而且减少了C/C-SiC摩擦材料开孔率，提高了其导热性能(与未改性C/C-SiC摩擦材料相比，导热系数提高20～30％)。
(4)本发明制备的铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料具有优良的导热性能，C/C-SiC摩擦材料优异的摩擦磨损性能未受影响，同时还保持了材料改性前的高强度、耐高温和耐腐蚀等特点，在飞机、高速列车和汽车等军民领域具有广阔的应用前景。
综上所述，本发明生产工艺简单易控，制备成本低，制备的材料微观结构和性能可控、在保持材料摩擦磨损性能、高强度、耐高温和耐腐蚀性的同时，导热性能优异；可实现工业化生产，在飞机、高速列车和汽车等军民领域具有广阔的应用前景。
附图说明
附图1为本发明实施例1所得产物的金相照片。
附图2为本发明实施例1所得产物的XRD照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)采用密度为0.56g/cm3的炭纤维整体毡为预制体；
在氩气保护气氛下将预制体进行2300℃高温热处理，保温时间：3小时；
(2)采用丙稀为碳源气，氢气为稀释气，丙稀与氢气的体积比为1∶2，采用等温化学气相渗透法对经步骤(1)处理的预制体在1100℃下沉积热解炭，沉积100小时后制得密度为1.24g/cm3的低密度C/C多孔体材料；
(3)将纯度≥99％，平均粒度为0.01～0.1mm的Cu粉和纯度≥99％，平均粒度为0.05～0.075mm的Si粉按质量比2∶3进行配比后，取C/C多孔体质量的3倍Si粉和Cu粉混合粉末，均匀混合后置于石墨坩锅中并抹平；
(4)将经步骤(2)所得低密度C/C多孔体材料平铺于经步骤(3)所得石墨坩锅中的粉末上，在高温真空炉中进行非浸泡式熔融浸渗制得编号为A的铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料，浸渗温度为1650℃，保温时间为1.5小时。
采用Rigaku-3014型X射线衍射仪对铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料进行物相分析，其XRD如附图2。由图可知，在此成分配比情况下材料的相组成为C、SiC、Cu3Si和少量残留Si。
实施例2：
(1)采用密度为0.36g/cm3的炭纤维整体毡为预制体；
在氩气保护气氛下将预制体进行1600℃高温热处理，保温时间：6小时；
(2)采用天然气为碳源气，氢气为稀释气，丙稀与氢气的体积比为1∶3，采用热梯度化学气相渗透法在1000℃下对经步骤(1)处理的预制体沉积热解炭，沉积60小时后制得密度为0.84g/cm3的低密度C/C多孔体材料，随后采用呋喃树脂浸渍，炭化后制得密度为1.35g/cm3的低密度C/C多孔体材料，浸渍温度为100℃，炭化温度为850℃；
(3)将纯度≥99％，平均粒度为0.01～0.1mm的Cu粉和纯度≥99％，平均粒度为0.05～0.075mm的Si粉按质量比1∶1进行配比后，取C/C多孔体质量的1.5倍Si粉和Cu粉混合粉末，均匀混合后置于石墨坩锅中并抹平。
(4)将经步骤(2)所得低密度C/C多孔体材料平铺于经步骤(3)所得石墨坩锅粉末上，在高温真空炉中进行非浸泡式熔融浸渗制得编号为B的铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料，浸渗温度为1800℃，保温时间为2.0小时。
实施例3
(1)采用密度为0.14g/cm3的炭纤维整体毡为预制体，；在氩气保护气氛下将预制体进行1500？高温热处理，保温时间：10小时；
(2)采用呋喃树脂浸渍，炭化后制得密度为1.20g/cm3的低密度C/C多孔体材料，浸渍温度为85℃，炭化温度为900℃；
(3)将纯度≥99％，平均粒度为0.01～0.1mm的Cu粉和纯度≥99％，平均粒度为0.05～0.075mm的Si粉按质量比1∶19进行配比后，取C/C多孔体质量的2倍Si粉和Cu粉混合粉末，均匀混合后置于石墨坩锅中并抹平。
(4)将经步骤(2)所得低密度C/C多孔体材料平铺于经步骤3所得石墨坩锅粉末上，在高温真空炉中进行非浸泡式熔融浸渗制得编号为C的铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料，浸渗温度为1900℃，保温时间为1.0小时。
对比例
(1)采用密度为0.20g/cm3的炭纤维整体毡为预制体，；
在氩气保护气氛下将经步骤(1)制备的预制体进行1800℃高温热处理；
(2)采用丙稀为碳源气，氢气为稀释气，丙稀与氢气的体积比为1∶2，采用等温化学气相渗透法对经步骤(1)处理的预制体在1100℃下沉积热解炭，沉积100小时后制得密度为1.18g/cm3的低密度C/C多孔体材料；
(3)取C/C多孔体质量的2倍Si粉置于石墨坩锅中并抹平。
(4)将经步骤(2)所得低密度C/C多孔体材料平铺于经步骤(3)所得石墨坩锅中的粉末上，在高温真空炉中进行非浸泡式熔融浸渗制得C/C-SiC摩擦材料，浸渗温度为1750℃，保温时间为1.5小时。
采用阿基米德排水法测试铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料的密度和开孔率。利用JR-3型激光导热仪测量材料垂直于无纬布的铺层方向(即垂直于摩擦面)的热扩散率，在德国产NETZSCHLFA 427型激光导热仪上测试材料的导热系数。在CSS-44100万能材料实验机上按照QC/HSC3309标准测试了材料垂直于摩擦面的弯曲强度。在MM-1000型摩擦磨损实验机上进行模拟制动实验，按照GB13826-98进行测试；摩擦试环的尺寸为外径75mm，内径53mm，高16mm mm，采用30CrMoSiVA合金钢作对偶；实验验条件为：转速7500r/min，转动惯量0.1KgM2，制动压力1MPa.。
表1为实施例1～3所制得的A、B、C三种铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料与对比样的主要性能指标。从表1可以看出，相对于对比样C/C-SiC摩擦材料，本发明所制得的铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料具有优异的热性能，同时仍具有良好的抗弯性能和摩擦磨损性能。
表1铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料及对比样的主要性能指标
Claims (5)
1.一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法，包括下列步骤：
第一步：炭纤维预制体高温热处理
将密度为0.1～0.65g/cm3的针刺炭纤维整体毡为预制体，在1500～2300℃进行高温热处理，缓解炭纤维预制体在编织过程中产生的应力，并去除炭纤维束表面的胶及编织过程中引入的有机纤维丝；
第二步：炭纤维预制体致密化
将第一步热处理后的炭纤维预制体进行化学气相渗透和/或树脂浸渍/炭化致密化处理，得到基体炭，制得密度为1.0～1.6g/cm3的低密度炭纤维增强基体炭C/C多孔体材料；
第三步：Cu、Si熔渗粉配制
按重量百分比：Cu∶Si＝5～50∶95～50配制Cu、Si熔渗粉；
第四步：非浸泡式熔融浸渗
按重量百分比：Cu、Si熔渗粉∶C/C多孔体材料＝3∶1～2，分别取Cu、Si熔渗粉及第二步所得C/C多孔体材料；将Cu、Si熔渗粉置于石墨坩锅中，将C/C多孔体材料平铺于石墨坩锅中的粉末上，于高温真空炉中进行非浸泡式熔融浸渗，通过Si与C及Si与Cu的反应复合成一体制得密度为1.9～2.4g/cm3的铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料。
2.根据权利要求1所述的一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制 备方法，其特征在于：第一步热处理保温时间3～10小时，压力为微正压，氩气惰性气体保护。
3.根据权利要求2所述的一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法，其特征在于：第二步化学气相渗透的碳源气体为甲烷、丙烯、丙烷或者天然气中的一种，稀释气体为氮气、氢气中的至少一种，碳源气体与稀释气体之比为1∶1～3，沉积时间为120～300小时，沉积温度为900～1100℃；树脂浸渍/炭化的原材料为沥青或液态树脂，浸渍温度为50～100℃，炭化温度为800～900℃。
4.根据权利要求3所述的一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法，其特征在于：第三步Si粉纯度≥99％，平均粒度为0.01～0.1mm，Cu粉纯度≥99％，平均粒度为0.05～0.075mm。
5.根据权利要求4所述的一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法，其特征在于：第四步非浸泡式熔融浸渗温度为：1500～1900℃，压力为微正压，氩气惰性气体保护，保温时间0.5～2.0h。
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