CN104311034A - 一种汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法。取微硅粉、环氧树脂、200号溶剂油、聚乙烯亚胺，混合均匀，升温，保温，放冷后得到混合物I；取石墨粒、醇酸树脂、聚甲基丙烯酸铵，混合均匀，升温，保温，放冷后得到混合物I；将混合物I与混合物II进行混合，烘干，球磨，得到混合物III；将混合物III与酚醛树脂、氧化铝纤维、玻璃纤维、氧化铝、碳化硅、煅烧石油焦碳、天然橡胶、钛酸钾晶须混合均匀，在真空烧结炉中进行烧结后，得到碳/碳化硅复合材料。本发明利用两种性质相反的分散剂分别改性微硅粉和石墨粉，使其表面带有不同的电荷，可以更好地使碳与硅的相互包覆，烧结之后生成的SiC微球性能更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
当今，随着科学技术的不断进步，高速列车、汽车和飞机等交通工具逐渐向高速、重载、安全舒适等方向发展，从而使得作用于刹车装置上的热载荷剧烈增加。例如汽车制动时，制动件与制动盘面的温升达500～600℃；而火车制动时可达700～1400℃：飞机着陆时，刹车稚摩擦表面温度高达1000～1100℃，大型超音速飞机着陆时的制动温度可高达1300℃。此外，刹车材料在经受数百次高温冲击下仍然要保持稳定的机械性能，承受住高温、高应力、高热冲击的考验。这就迫切要求不断研究高比热、高温下具有足够强度的高性能刹车材料以满足现代交通工具在重载及超重载刹车条件下工作的需要。
C/SiC复合材料，即以碳纤维为增强体，以碳、碳化硅为基体的复合材料，是继粉未冶金和C/C复合材料之后，近几年发展起来的一种高性能复合材料。C/SiC具有克服C/C摩擦材料缺点韵潜力，C/SiC静态、动态摩擦系数均高于C/C摩擦材料，磨损率相当或优于C/C摩擦材料。除具有C/C复合材料所具备的高比强度、高比模量、优异的高温机械性能、高温热稳定性、高热导率以及低热膨胀系数等一系列优异性能外，C/SiC复合材料还具有数密化程度高、使用寿命长、环境适应瞧强等一系列C/C复合材料所不具有的优良特性，尤其是其突出的抗氧化性、耐烧蚀性和低磨损性能，使其作为结构材料和功能材料可满足1650℃高温下长寿命、2000℃以下有限寿命、2800℃以下瞬时寿命的使用要求，可以应用于航空航天等诸多离新领域。因此C./SiC复合材料作为刹车材料的研究和应用倍受关注。
C/SiC复合材料的制备方法主要有：1、热压烧结法，2、化学气相渗透，3、聚合物先驱体浸渗热解法，4、液奈硅浸渗法等。
但是，现有的技术中刹车盘上使用的C/SiC复合材料仍然存在着摩擦系数不高、耐久性不好、耐高温性能不强的问题。
发明内容
本发明的目的是：解决现有的技术中刹车盘上使用的C/SiC复合材料仍然存在着摩擦系数不高、耐久性不好、耐高温性能不强的问题。
技术方案：
一种汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
第1步、按重量份计，取微硅粉30～40份、环氧树脂5～8份、200号溶剂油60～80份、聚乙烯亚胺4～8份，混合均匀，升温，保温，放冷后得到混合物I；
第2步、取石墨粒20～40份、醇酸树脂4～12份、聚甲基丙烯酸铵5～8份，混合均匀，升温，保温，放冷后得到混合物I；
第3步、将混合物I与混合物II进行混合，烘干，球磨，得到混合物III；
第4步、将混合物III与酚醛树脂10～15份、氧化铝纤维4～6份、玻璃纤维3～5份、氧化铝3～5份、碳化硅10～15份、煅烧石油焦碳3～5份、天然橡胶5～10份、钛酸钾晶须4～8份混合均匀，在真空烧结炉中进行烧结后，得到碳/碳化硅复合材料。
所述的第1步中，升温温度是60～70℃，保温时间是1～3小时。
所述的第2步中，升温温度是60～70℃，保温时间是1～3小时。
所述的第1步中，微硅粉的平均粒径范围是200～300微米。
所述的第2步中，石墨粒的平均粒径范围是50～100微米。
所述的第1步中，还加入铜粉4～8份。
所述的第1步中，微硅粉是经过在80～90℃的15～20wt%氢氧化钠溶液中浸泡2～4小时处理的。
所述的第1步中，铜粉的平均粒径范围是20～50微米。
所述的第3步中，烘干温度是110～120℃，烘干时间2～4小时。
所述的第4步中，烧结温度是1400～1600℃，烧结时间是4～6小时。
有益效果
本发明利用两种性质相反的分散剂分别改性微硅粉和石墨粉，使其表面带有不同的电荷，再进行混匀之后，可以更好地使碳与硅的相互包覆，烧结之后生成的SiC微球性能更好。
具体实施方式
实施例1
一种汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
第1步、取微硅粉30Kg、环氧树脂5Kg、200号溶剂油60Kg、聚乙烯亚胺4Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是60℃，保温时间是1小时，放冷后得到混合物I；其中，微硅粉的平均粒径范围是200～300微米；
第2步、取石墨粒20Kg、醇酸树脂4Kg、聚甲基丙烯酸铵5Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是60℃，保温时间是1小时，放冷后得到混合物I；其中，石墨粒的平均粒径范围是50～100微米；
第3步、将混合物I与混合物II进行混合，烘干，烘干温度是110℃，烘干时间2小时，球磨，得到混合物III；
第4步、将混合物III与酚醛树脂10Kg、氧化铝纤维4Kg、玻璃纤维3Kg、氧化铝3Kg、碳化硅10Kg、煅烧石油焦碳3Kg、天然橡胶5Kg、钛酸钾晶须4Kg混合均匀，在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度是1400℃，烧结时间是4小时，得到碳/碳化硅复合材料。
实施例2
一种汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
第1步、取微硅粉40Kg、环氧树脂8Kg、200号溶剂油80Kg、聚乙烯亚胺8Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是70℃，保温时间是3小时，放冷后得到混合物I；其中，微硅粉的平均粒径范围是200～300微米；
第2步、取石墨粒40Kg、醇酸树脂12Kg、聚甲基丙烯酸铵8Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是70℃，保温时间是3小时，放冷后得到混合物I；其中，石墨粒的平均粒径范围是50～100微米；
第3步、将混合物I与混合物II进行混合，烘干，烘干温度是120℃，烘干时间4小时，球磨，得到混合物III；
第4步、将混合物III与酚醛树脂15Kg、氧化铝纤维6Kg、玻璃纤维5Kg、氧化铝5Kg、碳化硅15Kg、煅烧石油焦碳5Kg、天然橡胶10Kg、钛酸钾晶须8Kg混合均匀，在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度是1600℃，烧结时间是6小时，得到碳/碳化硅复合材料。
实施例3
一种汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
第1步、取微硅粉35Kg、环氧树脂7Kg、200号溶剂油70Kg、聚乙烯亚胺7Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是65℃，保温时间是2小时，放冷后得到混合物I；其中，微硅粉的平均粒径范围是200～300微米；
第2步、取石墨粒30Kg、醇酸树脂8Kg、聚甲基丙烯酸铵7Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是65℃，保温时间是2小时，放冷后得到混合物I；其中，石墨粒的平均粒径范围是50～100微米；
第3步、将混合物I与混合物II进行混合，烘干，烘干温度是115℃，烘干时间3小时，球磨，得到混合物III；
第4步、将混合物III与酚醛树脂12Kg、氧化铝纤维5Kg、玻璃纤维4Kg、氧化铝4Kg、碳化硅12Kg、煅烧石油焦碳4Kg、天然橡胶7Kg、钛酸钾晶须6Kg混合均匀，在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度是1500℃，烧结时间是5小时，得到碳/碳化硅复合材料。
实施例4
与实施例3的区别在于：第1步中，还加入铜粉5Kg，铜粉的平均粒径范围是20～50微米。
一种汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
第1步、取微硅粉35Kg、环氧树脂7Kg、200号溶剂油70Kg、聚乙烯亚胺7Kg、铜粉5Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是65℃，保温时间是2小时，放冷后得到混合物I；其中，微硅粉的平均粒径范围是200～300微米；
第2步、取石墨粒30Kg、醇酸树脂8Kg、聚甲基丙烯酸铵7Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是65℃，保温时间是2小时，放冷后得到混合物I；其中，石墨粒的平均粒径范围是50～100微米；
第3步、将混合物I与混合物II进行混合，烘干，烘干温度是115℃，烘干时间3小时，球磨，得到混合物III；
第4步、将混合物III与酚醛树脂12Kg、氧化铝纤维5Kg、玻璃纤维4Kg、氧化铝4Kg、碳化硅12Kg、煅烧石油焦碳4Kg、天然橡胶7Kg、钛酸钾晶须6Kg混合均匀，在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度是1500℃，烧结时间是5小时，得到碳/碳化硅复合材料。
实施例5
与实施例4的区别在于：第1步中，微硅粉是经过在80～90℃的15～20wt%氢氧化钠溶液中浸泡2～4小时处理的。
第1步、取微硅粉，在80～90℃的15～20wt%氢氧化钠溶液中浸泡2～4小时处理其中，微硅粉的平均粒径范围是200～300微米；
第2步、取第1步得到的碱溶硅微粉35Kg、环氧树脂7Kg、200号溶剂油70Kg、聚乙烯亚胺7Kg、铜粉5Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是65℃，保温时间是2小时，放冷后得到混合物I；
第3步、取石墨粒30Kg、醇酸树脂8Kg、聚甲基丙烯酸铵7Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是65℃，保温时间是2小时，放冷后得到混合物I；其中，石墨粒的平均粒径范围是50～100微米；
第4步、将混合物I与混合物II进行混合，烘干，烘干温度是115℃，烘干时间3小时，球磨，得到混合物III；
第5步、将混合物III与酚醛树脂12Kg、氧化铝纤维5Kg、玻璃纤维4Kg、氧化铝4Kg、碳化硅12Kg、煅烧石油焦碳4Kg、天然橡胶7Kg、钛酸钾晶须6Kg混合均匀，在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度是1500℃，烧结时间是5小时，得到碳/碳化硅复合材料。
对照例1
与实施例5的区别在于：第2步中的铜粉的粒径是100～200微米。
对照例2
与实施例5的区别在于：铜粉放在第5步中加入。
第1步、取微硅粉，在80～90℃的15～20wt%氢氧化钠溶液中浸泡2～4小时处理其中，微硅粉的平均粒径范围是200～300微米；
第2步、取第1步得到的碱溶硅微粉35Kg、环氧树脂7Kg、200号溶剂油70Kg、聚乙烯亚胺7Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是65℃，保温时间是2小时，放冷后得到混合物I；
第3步、取石墨粒30Kg、醇酸树脂8Kg、聚甲基丙烯酸铵7Kg，混合均匀，升温，保温，升温温度是65℃，保温时间是2小时，放冷后得到混合物I；其中，石墨粒的平均粒径范围是50～100微米；
第4步、将混合物I与混合物II进行混合，烘干，烘干温度是115℃，烘干时间3小时，球磨，得到混合物III；
第5步、将混合物III与酚醛树脂12Kg、氧化铝纤维5Kg、玻璃纤维4Kg、氧化铝4Kg、碳化硅12Kg、煅烧石油焦碳4Kg、天然橡胶7Kg、钛酸钾晶须6Kg、铜粉5Kg混合均匀，在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度是1500℃，烧结时间是5小时，得到碳/碳化硅复合材料。
性能测试结果
采用MM-1000 摩擦试验机测试本发明的摩擦制动材料的刹车性能，测试条件为：惯量3.8kgf·cm·s2，比压100N/cm2，线速度25m/s。
表1 试验结果
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对照例1 | 对照例2 | |
| 密度 g/cm3 | 2.44 | 2.41 | 2.38 | 2.45 | 2.43 | 2.34 | 2.41 |
| 弯曲强度 MPa | 160 | 170 | 165 | 186 | 192 | 150 | 153 |
| 平均干摩擦系数 | 0.35 | 0.37 | 0.40 | 0.40 | 0.45 | 0.31 | 0.32 |
| 平均湿摩擦系数 | 0.27 | 0.28 | 0.29 | 0.30 | 0.35 | 0.24 | 0.28 |
| 线磨损率 μm/面·次 | 1.10 | 1.13 | 1.10 | 1.02 | 0.93 | 2.01 | 1.91 |
| 断裂韧性 MPa·m1/2 | 5.00 | 4.96 | 5.05 | 5.12 | 5.28 | 5.12 | 4.81 |
从表中可以看出，本发明提供的刹车盘复合材料具有良好的强度性能和摩擦制动性能，实施例4中，通过加入铜粉，可以显著地改进微硅粉与石墨粉相容时的颗粒形态，使烧结后生成的刹车材料内部形成更好的传热、导热结构，实现了提高耐磨性能的效果；而在实施例5中通过对微硅粉进行碱溶处理，可以在其表面形成更好的不规整结构，可以使微硅粉与石墨粉的包覆过程中，更容易地相容，最终可以提高摩擦系数，也能够提高耐磨损率。通过对照例1可以看出，通过使用较小粒径的铜粉可以更好地容于带有不规整结构的硅粉中，形成具有更好磨损性能的刹车材料；通过对照例2可以看出，如果将铜粉放入其它的步骤中，就不能与微硅粉/石墨粉的包覆结构进行结合，导致了整体的刹车材料的性能下降。
Claims (8)
1.一种汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1步、按重量份计，取微硅粉30～40份、环氧树脂5～8份、200号溶剂油60～80份、聚乙烯亚胺4～8份，混合均匀，升温，保温，放冷后得到混合物I；
第2步、取石墨粒20～40份、醇酸树脂4～12份、聚甲基丙烯酸铵5～8份，混合均匀，升温，保温，放冷后得到混合物I；
第3步、将混合物I与混合物II进行混合，烘干，球磨，得到混合物III；
第4步、将混合物III与酚醛树脂10～15份、氧化铝纤维4～6份、玻璃纤维3～5份、氧化铝3～5份、碳化硅10～15份、煅烧石油焦碳3～5份、天然橡胶5～10份、钛酸钾晶须4～8份混合均匀，在真空烧结炉中进行烧结后，得到碳/碳化硅复合材料。
2.根据权利要求1所述的汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述的第1步中，微硅粉的平均粒径范围是200～300微米。
3.根据权利要求1所述的汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述的第2步中，石墨粒的平均粒径范围是50～100微米。
4.根据权利要求1所述的汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述的第1步中，还加入铜粉4～8份。
5.根据权利要求1所述的汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述的第1步中，微硅粉是经过在80～90℃的15～20wt%氢氧化钠溶液中浸泡2～4小时处理的。
6.根据权利要求4所述的汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述的第1步中，铜粉的平均粒径范围是20～50微米。
7.根据权利要求1所述的汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述的第3步中，烘干温度是110～120℃，烘干时间2～4小时。
8.根据权利要求1所述的汽车刹车盘用碳/碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述的第4步中，烧结温度是1400～1600℃，烧结时间是4～6小时。
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