CN104942553B - 一种相变储能刹车盘的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种相变储能刹车盘的制备方法，在制备中对刹车盘进行表面结壳处理，并通过控制合理的CVI工艺参数，使刹车盘表面形成了致密的热解碳，最终形成了一层致密的热解碳硬壳，使热解碳表面结壳处理后的开气孔率下降至1％以下；通过控制高温粘接的工艺参数确保其对刹车盘的粘接强度；通过对碳/碳复合材料铆钉表面及铆钉孔内壁均匀涂刷粘接剂，使得铆钉与铆钉孔内壁之间也能够形成牢固的粘接强度，提高了铆接部位的抗拉强度。对进行粘接处理的刹车盘铆接部位进行抗拉强度测试，其抗拉强度达到了18MPa以上，比未进行粘接处理的刹车盘铆接部位抗拉强度提高了60％以上。

Description

一种相变储能刹车盘的制备方法

技术领域

本发明涉及飞机刹车盘领域，具体是提出一种相变储能刹车盘的制备方法。

背景技术

碳/碳复合材料具有比强度、比模量大，高温机械性能好，摩擦磨损性能稳定等优点广泛用于制造高能制动装置刹车盘。七十年代以来，碳/碳复合材料刹车盘已被国内外众多飞机大量使用。

随着国防科技的发展，军用飞机必须能够满足垂直起落、超短距起降、应对突发事件时的无间断连续起降等苛刻的军事环境要求。在这种严酷的条件下，飞机在刹车过程中刹车盘将产生更多的热量，在热库一定的情况下，刹车盘自身将达到很高的温度(＞1200℃)。在高温下，刹车盘会发生涂层的氧化失效，摩擦性能稳定性下降和磨损加剧等状况。显然这种苛刻的军事条件已经突破了飞机用碳/碳复合刹车材料的性能极限。因此，相变储能刹车盘可以很好的解决这一问题。

在US.5613578中公开了一种相变储能刹车盘(Phase Change Brake Disks)的结构设计方法，提出了两种相变储能结构，但未涉及相变储能刹车盘的制备方法。在申请号为201510311991.X的发明创造中，公开了一种相变储能刹车盘，包括材料装填槽的结构特征、相变储能材料的密封以及对相变储能刹车盘的铆接和粘接。该发明中，碳刹车盘为两块碳盘通过铆接、粘接形式组合成一块碳盘，并对位于该碳盘中的相变储能材料采取双重保护，以防止该相变储能材料汽化或液化后的流失：覆盖在三角形槽上的石墨纸可以防止相变储能材料的流失形成第一重保护；两块碳盘之间通过密封台与密封槽的紧配合，有效的实施了对相变储能材料的第二重保护。同时，该发明还通过碳铆钉铆接的方式实现了两块碳盘之间的定位，使碳盘结合性更好，增强了碳盘的稳定性，不会发生错位，提高碳盘的结合性和密封性。所述的相变储能槽采用三角形设计，在不影响碳盘结构稳定性的基础上将槽体的容积提高了15％，提高了碳盘的热库容量。

但是，该发明中并未提出所述相变储能刹车盘的制备方法，而是采用现有技术制备的CVI方法制备，使得在制备过程中，碳源气体渗透进入刹车盘内部并通过热解成碳反应进行致密化时，相变储能材料也渗入刹车盘中，造成相变储能材料的损失，同时也影响刹车盘的摩擦磨损性能。并且按照常规的CVI方法得到的相变储能刹车盘的刹车盘的整体强度不足。

发明内容

为了实现对《一种相变储能刹车盘》中提出的相变储能刹车盘的有效制备，本发明提出了一种相变储能刹车盘的制备方法。

所述相变储能刹车盘包括两块单摩擦面的刹车盘、相变储能材料、石墨纸、碳铆钉。

本发明提出的制备相变储能刹车盘的具体过程是：

步骤1，加工刹车盘预成型体：按照设计图纸加工刹车盘预成型体。所述刹车盘预成型体有两块。

步骤2，表面结壳处理：将加工好的刹车盘预成型体放入CVI炉进行常规的沉积。沉积参数为：CVI炉炉温为1000～1050℃、CVI炉内压力≤10KPa、沉积时间50～150h，天然气流量为3000～5000升/小时、丙烷气流量为500～800升/小时。得到经过表面结壳处理的刹车盘预成型体。

步骤3，装填相变储能材料：将相变储能材料分别装填到所述经过表面结壳处理的两块刹车盘预成型体上的相变储能装填槽中，装填的体积为储能槽体积的80％～95％。

步骤4，覆盖石墨纸：裁剪石墨纸，该石墨纸的外形尺寸与储能槽的外形尺寸相当，将裁剪好的石墨纸置于所述装填槽内，并使该石墨纸覆盖相变储能材料表面。

步骤5，涂刷粘接剂：将粘接剂分别涂刷在刹车盘预成型体非摩擦面、碳铆钉表面和铆钉孔内，每平方厘米的涂刷量为0.5g～2.0g。所述粘接剂的适于温度为700～1000℃。

步骤6，对合：将所述涂刷有粘接剂的两块刹车盘预成型体的非摩擦面对合。将碳铆钉铆入铆钉孔。将一石墨配重放置在对合后的两块刹车盘预成型体表面，通过该石墨配重的重量使两块刹车盘预成型体之间无间隙接触。

步骤7，烘干：将所述对合后的刹车盘预成型体及配重物一起放入烘箱烘干。烘箱温度150℃～250℃，烘干时间为2h～5h。

步骤8，热处理：将烘干后的刹车盘预成型体及配重物放入高温炉中，采用常规方法进行热处理。热处理参数：抽真空至≤1000Pa，对热处理炉升温至750～900℃，保温1～2小时进行热处理。保温结束后，随炉冷却至室温，得到相变储能刹车盘。

本发明是一种针对所述相变储能刹车盘结构特点提出的制备方法。与现有技术相比较，本发明具有以下特点：

1、相变储能刹车盘中对相变储能材料的密封性要求。普通刹车盘的CVI制备工艺是将碳源气体渗透进入刹车盘内部并通过热解成碳反应进行致密化的过程。而相变储能刹车盘由于密封相变储能材料的需要，要求刹车盘表面，特别是储能槽内表面应具有极小的开气孔率，防止相变储能材料渗入刹车盘。因此在致密化刹车盘工艺完成后，本发明提出了进行热解碳的表面结壳制备工艺。本发明在制备过程中对刹车盘进行表面结壳处理，并通过控制合适的CVI工艺参数，使刹车盘表面形成了致密的热解碳。热解碳的表面形成过程是碳源气体(如甲烷、丙烷等)在特定的CVI工艺参数条件下，在刹车盘表面和接近刹车盘表面的开气孔中通过热裂解反应生长热解碳的过程。随着热解碳生长过程的进行，热解碳逐渐填充满开气孔，并与开气孔周围的热解碳连成一片，最终形成了一层致密的热解碳硬壳。经检测，刹车盘在未进行热解碳致密化处理前的开气孔率约为5％～10％，经过热解碳表面结壳处理后的开气孔率下降到了1％以下的水平。这样的表面结壳处理过程有效防止了相变储能材料在高温环境中汽化或液化时通过开气孔渗入刹车盘的摩擦面，避免其影响刹车盘的摩擦磨损性能。

2、相变储能刹车盘特有的二合一结构设计，要求需对两个单摩擦面刹车盘进行粘接处理，以确保刹车盘的整体强度。因此本发明在相变储能刹车盘制备中增加了粘接工艺，通过控制高温粘接的工艺参数确保其对刹车盘的粘接强度。经检测，高温粘接后的刹车盘剪切强度达8MPa以上，确保了刹车盘在刹车过程中的结构稳定。

3、铆钉及铆钉孔的设计，是为了单摩擦面刹车盘的二合一对合时的定位以及提高刹车盘的整体强度。为了实现铆钉的铆接强度，本发明提出了在铆钉表面和铆钉孔内壁涂刷粘接剂并进行粘接工艺处理的方法，通过对碳/碳复合材料铆钉表面及铆钉孔内壁均匀涂刷粘接剂，使得铆钉与铆钉孔内壁之间也能够形成牢固的粘接强度，提高了铆接部位的抗拉强度。对进行粘接处理的刹车盘铆接部位进行抗拉强度测试，其抗拉强度达到了18MPa以上，比未进行粘接处理的刹车盘铆接部位抗拉强度提高了60％以上。

附图说明

图1是有密封台的单摩擦面刹车盘的结构示意图。

图2是两个单摩擦面刹车盘对合示意图。

图3是本发明的流程图。图中：

1.外缘密封台；2.内缘密封台；3.外缘密封槽；4.内缘密封槽；5.铆钉孔；6.小储能槽；7.大储能槽。

具体实施方式

实施例一：

本实施案例是一种相变储能刹车盘的制备方法。其具体过程包括以下步骤：

步骤1，加工刹车盘预成型体：按照设计图纸加工刹车盘预成型体。所述刹车盘预成型体有两块。

步骤2，表面结壳处理：将加工好的刹车盘预成型体放入CVI炉进行常规的沉积。沉积参数为：CVI炉炉温为1000℃、CVI炉内压力≤10KPa、沉积时间为50h，天然气流量为3000l/h、丙烷气流量为500l/h。得到经过表面结壳处理的刹车盘预成型体。

步骤3，装填相变储能材料：将相变储能材料分别装填到所述经过表面结壳处理的两块刹车盘预成型体上的相变储能装填槽中，装填的体积为储能槽体积的80％。

步骤4，覆盖石墨纸：裁剪石墨纸，该石墨纸的外形尺寸与储能槽的外形尺寸相当，将裁剪好的石墨纸置于所述装填槽内，并使该石墨纸覆盖相变储能材料表面。

步骤5，涂刷粘接剂：将粘接剂分别涂刷在刹车盘预成型体非摩擦面、碳铆钉表面和铆钉孔内，每平方厘米的涂刷量为0.5g。所述粘接剂是用于700～1000℃的粘接剂。

步骤6，对合：将所述涂刷有粘接剂的两块刹车盘预成型体的非摩擦面对合。将碳铆钉铆入铆钉孔。将一石墨配重放置在对合后的两块刹车盘预成型体表面，通过该石墨配重的重量使两块刹车盘预成型体之间无间隙接触。

步骤7，烘干：将所述对合后的刹车盘预成型体及配重物一起放入烘箱烘干。烘箱温度150℃，烘干时间为2h。

步骤8，热处理：将烘干后的刹车盘预成型体及配重物放入高温炉中，采用常规方法进行热处理。热处理参数：抽真空至≤1000Pa，对热处理炉升温至750℃，保温1小时进行热处理。保温结束后，随炉冷却至室温，得到相变储能刹车盘。

实施例二：

本实施例是一种相变储能刹车盘的制备方法。其具体过程包括以下步骤：

步骤1，加工刹车盘预成型体：按照设计图纸加工刹车盘预成型体。所述刹车盘预成型体有两块。

步骤2，表面结壳处理：将加工好的刹车盘预成型体放入CVI炉进行常规的沉积。沉积参数为：CVI炉炉温为1025℃、CVI炉内压力≤10KPa、沉积时间为100h，天然气流量为4000l/h、丙烷气流量为600l/h。得到经过表面结壳处理的刹车盘预成型体。

步骤3，装填相变储能材料：将相变储能材料分别装填到所述经过表面结壳处理的两块刹车盘预成型体上的相变储能装填槽中，装填的体积为储能槽体积的90％。

步骤4，覆盖石墨纸：裁剪石墨纸，该石墨纸的外形尺寸与储能槽的外形尺寸相当，将裁剪好的石墨纸置于所述装填槽内，并使该石墨纸覆盖相变储能材料表面。

步骤5，涂刷粘接剂：将粘接剂分别涂刷在刹车盘预成型体非摩擦面、碳铆钉表面和铆钉孔内，每平方厘米的涂刷量为1.5g。所述粘接剂是用于700～1000℃的粘接剂。

步骤6，对合：将所述涂刷有粘接剂的两块刹车盘预成型体的非摩擦面对合。将碳铆钉铆入铆钉孔。将一石墨配重放置在对合后的两块刹车盘预成型体表面，通过该石墨配重的重量使两块刹车盘预成型体之间无间隙接触。

步骤7，烘干：将所述对合后的刹车盘预成型体及配重物一起放入烘箱烘干。烘箱温度200℃，烘干时间为3.5h。

步骤8，热处理：将烘干后的刹车盘预成型体及配重物放入高温炉中，采用常规方法进行热处理。热处理参数：抽真空至≤1000Pa，对热处理炉升温至850℃，保温1.5小时进行热处理。保温结束后，随炉冷却至室温，得到相变储能刹车盘。

实施例三：

本实施例是一种相变储能刹车盘的制备方法。其具体过程包括以下步骤：

步骤1，加工刹车盘预成型体：按照设计图纸加工刹车盘预成型体。所述刹车盘预成型体有两块。

步骤2，表面结壳处理：将加工好的刹车盘预成型体放入CVI炉进行常规的沉积。沉积参数为：CVI炉炉温为1050℃、CVI炉内压力≤10KPa、沉积时间为150h，天然气流量为5000l/h、丙烷气流量为800l/h。得到经过表面结壳处理的刹车盘预成型体。

步骤3，装填相变储能材料：将相变储能材料分别装填到所述经过表面结壳处理的两块刹车盘预成型体上的相变储能装填槽中，装填的体积为储能槽体积的95％。

步骤4，覆盖石墨纸：裁剪石墨纸，该石墨纸的外形尺寸与储能槽的外形尺寸相当，将裁剪好的石墨纸置于所述装填槽内，并使该石墨纸覆盖相变储能材料表面。

步骤5，涂刷粘接剂：将粘接剂分别涂刷在刹车盘预成型体非摩擦面、碳铆钉表面和铆钉孔内，每平方厘米的涂刷量为2.0g。所述粘接剂是用于700～1000℃的粘接剂。

步骤6，对合：将所述涂刷有粘接剂的两块刹车盘预成型体的非摩擦面对合。将碳铆钉铆入铆钉孔。将一石墨配重放置在对合后的两块刹车盘预成型体表面，通过该石墨配重的重量使两块刹车盘预成型体之间无间隙接触。

步骤7，烘干：将所述对合后的刹车盘预成型体及配重物一起放入烘箱烘干。烘箱温度250℃，烘干时间为5h。

步骤8，热处理：将烘干后的刹车盘预成型体及配重物放入高温炉中，采用常规方法进行热处理。热处理参数：抽真空至≤1000Pa，对热处理炉升温至900℃，保温2小时进行热处理。保温结束后，随炉冷却至室温，得到相变储能刹车盘。

Claims (3)

1.一种相变储能刹车盘的制备方法，其特征在于，具体步骤是：

步骤1，加工刹车盘预成型体；所述刹车盘预成型体有两块；

步骤2，表面结壳处理；采用沉积方法对刹车盘预成型体进行表面结壳处理；得到经过表面结壳处理的刹车盘预成型体；

步骤3，装填相变储能材料：将相变储能材料分别装填到所述经过表面结壳处理的两块刹车盘预成型体上的相变储能装填槽中，装填的体积为储能槽体积的80～95％；

步骤4，覆盖石墨纸：将裁剪好的石墨纸置于所述装填槽内，并使该石墨纸覆盖相变储能材料表面；

步骤5，涂刷粘接剂：将粘接剂分别涂刷在刹车盘预成型体非摩擦面、碳铆钉表面和铆钉孔内，每平方厘米的涂刷量为0.5～2.0g；

步骤6，对合：将所述涂刷有粘接剂的两块刹车盘预成型体的非摩擦面对合；将碳铆钉铆入铆钉孔；将一石墨配重放置在对合后的两块刹车盘预成型体表面，通过该石墨配重的重量使两块刹车盘预成型体之间无间隙接触；

步骤7，烘干：将所述对合后的刹车盘预成型体及配重物一起放入烘箱烘干；烘箱温度150～250℃，烘干时间为2～5h；

步骤8，热处理：将烘干后的刹车盘预成型体及配重物放入高温炉中进行热处理；热处理参数：抽真空至≤1000Pa，对热处理炉升温至750～900℃，保温1～2小时进行热处理；保温结束后，随炉冷却至室温，得到相变储能刹车盘。

2.如权利要求1所述相变储能刹车盘的制备方法，其特征在于，所述表面结壳处理的沉积参数为：CVI炉炉温为1000～1050℃、CVI炉内压力≤10KPa、沉积时间为50～150h，天然气流量为3000～5000l/h、丙烷气流量为500～800l/h。

3.如权利要求1所述相变储能刹车盘的制备方法，其特征在于，所述粘接剂的适用温度为700～1000℃。