CN104712691B - 一种碳纤维增强SiC基复合材料汽车刹车片的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维增强SiC基复合材料汽车刹车片的制造方法，该方法包括以下步骤：（1）碳纤维预制体结构设计及制备；（2）碳纤维表面碳涂层；（3）浸硅处理；（4）加工成型及装配。本发明解决了碳纤维表面碳层保护、浸硅制备SiC基体等工艺技术制造汽车刹车片。该方法制造的碳纤维增强SiC基复合材料刹车片可适用于各种气候及地理条件下重载卡车及轿车的行驶，摩擦系数高且稳定，干湿态下摩擦系数差异小，刹车过程平稳，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于本发明涉及一种汽车刹车片的成型方法，属于涉及一种碳纤维增强SiC基复合材料汽车刹车片的成型方法技术领域。
背景技术
盘式汽车刹车片一般由钢板、粘接隔热层和摩擦块构成，钢板要经过涂装来防锈，是基板，粘接隔热层目的是隔热，摩擦块即所谓的刹车片，刹车时被挤压在刹车盘或刹车鼓上产生摩擦，从而达到车辆减速和制动的目地。由于摩擦作用，刹车片会逐渐被磨损，尤其是目前大部分汽车使用的树脂基或粉末冶金基刹车片使用过程中存在热荷承载能力低、摩擦系数不稳定、使用寿命短、重量大、易粘接掉快等缺点。
碳纤维增强SiC复合材料由碳/碳复合材料发展而来，克服了碳化硅陶瓷材料脆性大的缺点，结合了碳纤维和碳化硅陶瓷材料的优势，以碳纤维为增强相，以碳及碳化硅为基体，形成了强度高、热容量大、摩擦性能优异及抗氧化性能好的新型碳-陶瓷复合材料。由碳纤维增强SiC复合材料制备的刹车片不但具有碳盘的一系列优点，而且解决了碳盘静摩擦系数低、湿态摩擦系数低和干湿态下摩擦系数差异大的不足，摩擦磨损性能更优，抗氧化性能好，成为目前汽车刹车系统更理想的摩擦材料。
碳纤维增强SiC复合材料制备方法一般有：（1）化学气相渗透法；（2）先驱体转化法；（3）热压烧结法等。其中化学气相渗透法具有性能好、适合于各种复杂形状部件的优点，但制备周期过长、成本高。先驱体转化法需要多次反复进行浸渍和高温裂解，产品致密化程度不高，原材料成本高、周期长，不利于批量生产。热压烧结法周期较短，但在工艺过程中对碳纤维存在损伤，不易控制。
发明内容
本发明的目的在于：研制一种能够快速制备碳纤维增强SiC复合材料汽车刹车片的制造方法，解决其他工艺周期长、效率低的问题，可以在短时间内制备具有较高密度和强度的复合材料，且工艺过程简单、便于控制，有利于批量生产。
本发明的技术方案如下：一种碳纤维增强SiC基复合材料汽车刹车片的成型方法，包括以下步骤：
步骤一：碳纤维预制体结构设计及制备，预制体采用连续碳纤维制备的碳布与短切碳纤维连续叠放的工艺，铺放比例为1：6～1：8，即铺设一层碳布，再连续铺设6～8层短切纤维，短切纤维长度为2～5mm，每铺完一层碳布，在碳布上均匀铺放SiC粉体，其粒度控制在40～100μm；
步骤二：碳纤维表面碳涂层，采用糠酮树脂作为浸渍剂，将圆环预制体浸泡在酚醛溶液内，浸渍2h～4小时。取出后将预制体放入金属模具内，然后整体放置于烘箱中，升温至90～120℃后保持1～2小时，再升温至150～180℃，保温4～5小时，将固化好的毛坯置于石墨坩埚中并装入真空烧结炉中，1750～2000℃下进行高温裂解，保温4～5小时，全过程采用惰性气体保护或真空。
步骤三：浸硅处理，将制备完成的毛坯置于石墨坩埚中，并放入真空烧结炉中，升温至1600～1650℃，保温0.5～1小时，将熔融的Si液倾倒进石墨坩埚中，保持约12～20min。降温并取出石墨坩埚，制备出体积密度为1.95～2.16g/cm3的碳纤维增强SiC基体复合材料刹车片毛坯。
步骤三之后还包括步骤四：加工成型及装配，对制备完成的毛坯进行机械加工，并与金属背板等进行组装。
连续纤维采用PAN基12k或24k碳纤维，短切纤维采用6k或12k或24k碳纤维裁切而成。
预制体裁切成为直径300～400mm，厚度20～30mm的圆环，预制体体积密度控制为0.46～0.61g/cm3。
本发明的显著效果在于：通过本发明实施的制造方法，可大幅度降低生产碳纤维增强SiC基体复合材料刹车片的成本，极大地提高了生产效率。通过预先对碳纤维进行碳涂层保护，使碳纤维避免了后续工序处理中所受的损伤，保证了材料性能和刹车片结构的稳定。
本发明制备的纤维增强SiC基体复合材料具有抗摩擦磨损、热容量大、适应各种天候条件下的刹车要求的特点，并且制备周期短、成本低，使用寿命长。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
（1）在预先设计并制备的模具中制备碳纤维预制体，预制体采用PAN基12k连续碳纤维制备的平纹碳布与短切碳纤维连续叠放的工艺，铺放比例为1：6，即铺设一层碳布，再连续铺设6层短切纤维，短切纤维长度为2mm。每铺完一层碳布，在碳布上均匀铺放SiC粉体，其粒度控制在40μm；完成后将预制体裁切成为直径400mm，厚度20mm的圆环，制备完成的预制体体积密度为0.58g/cm3。
（2）采用酚醛树脂作为浸渍剂。将圆环预制体浸泡在酚醛溶液内，浸渍4h。取出后将预制体放入金属模具内，升温至90℃后保持1h，再升温至150℃，保温4h。将固化好的毛坯置于石墨坩埚中并装入真空烧结炉中进行高温裂解，裂解温度为1750℃，保温2h，全过程采用惰性气体保护。
（3）将制备完成的毛坯置于石墨坩埚中，并放入真空烧结炉中，升温至1600℃，保温0.5h，将熔融的Si液倾倒进石墨坩埚中，保持约12min。降温并取出石墨坩埚。制备出的毛坯外观规整，无缺陷，测试其体积密度为2.05g/cm3。
（4）按照图纸要求，对制备完成的毛坯进行精密加工成型，并与金属背板等进行组装，完成了刹车片的组装。
实施例2：
（1）在预先设计并制备的模具中制备碳纤维预制体，预制体采用PAN基6k连续碳纤维制备的单向布与短切碳纤维连续叠放的工艺，铺放比例为1：8，即铺设一层碳布，再连续铺设8层短切纤维，短切纤维长度为5mm。每铺完一层碳布，在碳布上均匀铺放SiC粉体，其粒度控制在80μm；完成后将预制体裁切成为300×300mm的板材，厚度30mm，制备完成的预制体体积密度为0.46g/cm3。
（2）采用酚醛树脂作为浸渍剂。将圆环预制体浸泡在酚醛溶液内，浸渍4h。取出后将预制体放入金属模具内，然后整体放置于烘箱中，升温至90℃后保持2h，再升温至180℃，保温5h。将固化好的毛坯置于石墨坩埚中并装入真空烧结炉中进行高温裂解，裂解温度为2000℃，保温3h，全过程采用惰性气体保护。
（3）将制备完成的毛坯置于石墨坩埚中，并放入真空烧结炉中，升温至1650℃，保温1h，将熔融的Si液倾倒进石墨坩埚中，保持约15min。降温并取出石墨坩埚。制备出的毛坯外观规整，无缺陷，测试其体积密度为2.16g/cm3。
（4）按照图纸要求，对制备完成的毛坯进行精密加工成型，并与金属背板等进行组装，完成了刹车片的组装。
实施例3：
（1）在预先设计并制备的模具中制备碳纤维预制体，预制体采用PAN基12k连续碳纤维制备的单向布与短切碳纤维连续叠放的工艺，铺放比例为1：6，即铺设一层碳布，再连续铺设6层短切纤维，短切纤维长度为3～4mm。每铺完一层碳布，在碳布上均匀铺放SiC粉体，其粒度控制在100μm；完成后将预制体裁切成为400×400mm的板材，厚度20mm，制备完成的预制体体积密度为0.61g/cm3。
（2）采用糠酮树脂作为浸渍剂。将圆环预制体浸泡在糠酮溶液内，浸渍2h。取出后将预制体放入金属模具内，然后整体放置于烘箱中，升温至90℃后保持2h，再升温至160℃，保温4h。将固化好的毛坯置于石墨坩埚中并装入真空烧结炉中进行高温裂解，裂解温度为1800℃，保温4h，全过程采用惰性气体保护。
（3）将制备完成的毛坯置于石墨坩埚中，并放入真空烧结炉中，升温至1600℃，保温1h，将熔融的Si液倾倒进石墨坩埚中，保持约20min。降温并取出石墨坩埚。制备出的毛坯外观规整，无缺陷，测试其体积密度为1.95g/cm3。
（4）按照图纸要求，对制备完成的毛坯进行精密加工成型，并与金属背板等进行组装，完成了刹车片的组装。
Claims (4)
1.一种碳纤维增强SiC基复合材料汽车刹车片的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：碳纤维预制体结构设计及制备，预制体采用连续碳纤维制备的碳布与短切碳纤维连续叠放的工艺，铺放比例为1：6～1：8，即铺设一层碳布，再连续铺设6～8层短切纤维，短切纤维长度为2～5mm，每铺完一层碳布，在碳布上均匀铺放SiC粉体，其粒度控制在40～100μm；步骤二：碳纤维表面碳涂层，采用糠酮树脂作为浸渍剂，将圆环预制体浸泡在酚醛溶液内，浸渍2h～4小时；取出后将预制体放入金属模具内，然后整体放置于烘箱中，升温至90～120℃后保持1～2小时，再升温至150～180℃，保温4～5小时，将固化好的毛坯置于石墨坩埚中并装入真空烧结炉中，1750～2000℃下进行高温裂解，保温4～5小时，全过程采用惰性气体保护或真空；步骤三：浸硅处理，将制备完成的毛坯置于石墨坩埚中，并放入真空烧结炉中，升温至1600～1650℃，保温0.5～1小时，将熔融的Si液倾倒进石墨坩埚中，保持约12～20min；降温并取出石墨坩埚，制备出体积密度为1.95～2.16g/cm3的碳纤维增强SiC基体复合材料刹车片毛坯。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强SiC基复合材料汽车刹车片的成型方法，其特征在于，所述步骤三之后还包括步骤四：加工成型及装配，对制备完成的毛坯进行机械加工，并与金属背板进行组装。
3.据权利要求1所述的一种碳纤维增强SiC基复合材料汽车刹车片的成型方法，其特征在于，所述连续碳纤维采用PAN基12k或24k碳纤维，短切纤维采用6k或12k或24k碳纤维裁切而成。
4.据权利要求1所述的一种碳纤维增强SiC基复合材料汽车刹车片的成型方法，其特征在于，预制体裁切成为直径300～400mm，厚度20～30mm的圆环，预制体体积密度控制为0.46～0.61g/cm3。
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| 无纬碳布增强针刺毡C/C复合材料性能的研究;张宏波 等;《宇航材料工艺》;20070228(第01期);19-22 * |
| 碳纤维表面陶瓷涂层的制备与应用研究;董志军 等;《材料导报》;20080531;第22卷(第05期);115-118 * |
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| CN104712691A (zh) | 2015-06-17 |
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