CN105541335B - 一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法 - Google Patents
一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法。首先将不同硅含量的混合预涂料刷涂在碳纤维编织布的表面，然后用置于模腔中升温加压固化，制备的材料经机械加工后放入高温真空炉中内进行碳化和硅化处理，最后对表面进行精磨，即得碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。本发明有效地解决了传统制造工艺碳化硅分布不均匀，从而使碳陶制动盘抗热震性能提高并延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及了一种制动盘制造方法，具体是涉及了一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法。
背景技术
制动盘是汽车盘式制动器的核心部件。目前广泛使用的铸铁制动盘具有质量大、热稳定性较差、易生锈、制动噪音大等缺点，随着低碳节能概念深入人心，国内外先进汽车制造商正尝试用碳纤维增强陶瓷复合材料制动盘(简称碳陶制动盘)来代替铸铁制动盘。
碳陶制动盘具有重量轻、抗热衰退、抗热震、耐磨损、耐高温等优异的性能。最先在F1赛车中开始应用。随着成本的下降，目前一些高端车型开始选装此类制动盘。碳陶复合材料的制备方法主要包括：化学气相渗透法、反应熔渗法、浸渍裂解法、热压烧结法、原位反应法。但只有反应熔渗法实现了真正工程化应用。
反应熔渗法利用熔融液态硅渗入多孔碳碳复合材料内部，通过与基体碳的反应生成碳化硅。但是这种方法依赖于碳碳复合材料孔径分布，使该工艺制造的碳陶制动盘熔渗深度不均匀，造成制动盘沿厚度方向碳化硅组分分布梯度过大，在制动过程中的升温过程由于碳化硅与碳基体热膨胀系数不匹配，产生裂纹。影响制动盘的制动效果和寿命。
发明内容
为了克服碳化硅在碳陶制动盘厚度分布不均匀和上述热膨胀系数不匹配问题，本发明采用了生成碳化硅梯度组分的制造方法。
本发明方法所采用的技术方案为：先用酚醛树脂、石墨粉、硅粉、碳化硅粉混合溶液预涂在碳纤维编织布上形成不同组分含量的预涂片材，再将预涂片材按照一定的顺序叠层模压固化，最后进行炭化和硅化处理。其具体步骤如下：
如图1所示，本发明采用以下制造工艺：
步骤一，制备预涂料：将酚醛树脂粉、石墨粉、硅粉和碳化硅粉混合配置多份配比不同的混合粉体，分别溶于无水乙醇得到各份预涂料；
步骤二，对于每一份预涂料，制备其预涂片材；
步骤三，叠层模压成型：将步骤二制备好的预涂片材按照混合粉体中硅粉含量从最大到最小再到最大的顺序进行叠层，即预涂料按照其Sn、Sn-1、Sn-2…S3、S2、S1、S2、S3…Sn-2、Sn-1、Sn的编号顺序进行叠层，然后置于模腔中进行模压，模压后进行固化；
步骤四，机械加工：将步骤三中制备好的材料按照制动盘图纸进行加工；
步骤五，碳化硅化处理：将步骤四得到的制动盘置于高温真空炉中，升温至900℃保温2小时进行碳化处理，然后将温度升高到1500℃，保温30分钟进行硅化反应处理；
步骤六，表面精磨：将步骤五得到的制动盘表面进行精磨，直至表面粗糙度等级达到6.3，获得具有碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
所述步骤一的混合粉体中的酚醛树脂、石墨粉、硅粉、碳化硅粉和无水乙醇的质量比为40:60:1-20:2:60，按照混合粉体中硅粉含量依次增加顺序排序，将混合预涂料依次编为S1、S2、S3…，其中编号为Sn的预涂料硅粉和碳化硅比例大于编号为Sn-1的预涂料。
所述步骤一所有预涂料为20份，硅粉含量与碳化硅粉的质量比从1～20：2的整数变化，即分别为1、2、3…、20：2。
所述步骤二具体为：对于各份预涂料，将碳纤维编织布裁剪好，平铺于洁净聚酯膜上，用毛刷将步骤一中配置好预涂料均匀刷涂于碳纤维编织布的表面，然后置于通风处使无水乙醇溶剂自然挥发；晾干后翻转，刷涂另一面，再晾干后形成预涂片材；并根据刷涂预涂料编号，将使用Sn编号预涂料刷涂的片材编号为Sn。
所述步骤三中具体将模压机上下模的温度升高到150℃-180℃，保压25-27Mpa，保持30分钟，再进行固化。
所述步骤一中的酚醛树脂为残炭率为55％-65％的高残炭率酚醛树脂。
所述步骤一中的硅粉为99.5％以上纯度高纯硅粉，粒度不低于8000目。
所述步骤一中的碳化硅粉为99％以上纯度，粒度不低于3000目。
所述步骤二中的碳纤维编织布为双向编织布，平纹和斜纹均可。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用不同硅粉和碳化硅粉含量的预涂片材，相邻两片片材硅粉变化很小，在硅化反应过程中，沿厚度方向形成碳化硅组分均匀变化的梯度分布形态。制动过程中的升温产生的热应力分布于整个厚度方向，不会造成应力集中，从而提高碳陶制动盘的抗热震性能，刹车并延长使用寿命。本发明获得的碳陶制动盘在急速刹车产生600℃以上温度后不会出现明显热裂纹，使用寿命可提高到15万公里。
附图说明
图1是本发明制造方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明的实施例如下：
实施例一
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到150℃，加压25Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例二
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到160℃，加压25Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例三
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到170℃，加压25Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例四
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到180℃，加压25Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例五
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到150℃，加压26Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例六
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到160℃，加压26Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例七
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到170℃，加压26Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例八
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到180℃，加压26Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例九
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到150℃，加压27Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例十
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到160℃，加压27Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例十一
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到170℃，加压27Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
实施例十二
将4千克酚醛树脂、6千克石墨粉、200克碳化硅粉混合，分成20份，分别添加5克、10克、15克、20克…100克硅粉，溶于300克无水乙醇。将不同比例混合预涂料均匀的刷涂与平纹编织碳纤维编织布的表面，自然晾干后刷涂另一面再晾干。将预涂片材叠层放置于模腔，上下模升温到180℃，加压27Mpa，保持30分钟进行固化。然后将材料按照制动盘图纸进行机械加工，放置于高温真空炉中。升温度900℃保温2小时，然后升温到1500℃保温30分钟。将制动盘取出，进行精磨处理，即得到碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
本发明各个实施例的碳陶制动盘具有突出显著的技术效果，制动过程中的升温产生的热应力分布于整个厚度方向，不会造成应力集中，从而提高碳陶制动盘的抗热震性能，刹车并延长使用寿命。经测试在急速刹车产生600℃以上温度后不会出现明显热裂纹，使用寿命可提高到15万公里。
本发明其他技术采用已有技术，在此不再赘述。
本发明实施实例仅对本发明做出说明，并非对其限制，在此基础上还可做出变动，如：碳纤维编织布克重，混合粉料重量。
Claims (8)
1.一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法，其特征在于，采用以下制造工艺：
步骤一，制备预涂料：将酚醛树脂粉、石墨粉、硅粉和碳化硅粉混合配置多份硅粉含量不同的混合粉体，分别溶于无水乙醇得到各份预涂料；
所述步骤一的混合粉体中的酚醛树脂、石墨粉、硅粉、碳化硅粉和无水乙醇的质量比为40:60:1-20:2:60，按照混合粉体中硅粉含量依次增加顺序排序；
步骤二，对于每一份预涂料，制备其预涂片材；
步骤三，叠层模压成型：将步骤二制备好的预涂片材按照混合粉体中硅粉含量从最大到最小再到最大的顺序进行叠层，然后置于模腔中进行模压，模压后进行固化；
步骤四，机械加工：将步骤三中制备好的材料按照制动盘图纸进行加工；
步骤五，碳化硅化处理：将步骤四得到的制动盘置于高温真空炉中，升温至900℃保温2小时进行碳化处理，然后将温度升高到1500℃，保温30分钟进行硅化反应处理；
步骤六，表面精磨：将步骤五得到的制动盘表面进行精磨，直至表面粗糙度等级达到6.3，获得具有碳化硅组分梯度分布的碳陶制动盘。
2.根据权利要求1所述的一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法，其特征在于：所述步骤一所有预涂料为20份，硅粉含量与碳化硅粉的质量比从1：2到20：2的依次整数变化。
3.根据权利要求1所述的一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法，其特征在于：所述步骤二具体为：对于各份预涂料，将碳纤维编织布裁剪好，平铺于洁净聚酯膜上，用毛刷将步骤一中配制好预涂料均匀刷涂于碳纤维编织布的表面，然后置于通风处使无水乙醇溶剂自然挥发；晾干后翻转，刷涂另一面，再晾干后形成预涂片材。
4.根据权利要求1所述的一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法，其特征在于：所述步骤三中具体将模压机上下模的温度升高到150℃-180℃，保压25-27MPa，保持30分钟，再进行固化。
5.根据权利要求1所述的一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法，其特征在于：所述步骤一中的酚醛树脂为残炭率为55％-65％的高残炭率酚醛树脂。
6.根据权利要求1所述的一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法，其特征在于：所述步骤一中的硅粉为99.5％以上纯度高纯硅粉，粒度不低于8000目。
7.根据权利要求1所述的一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法，其特征在于：所述步骤一中的碳化硅粉为99％以上纯度，粒度不低于3000目。
8.根据权利要求3所述的一种含梯度组分的碳陶制动盘制造方法，其特征在于：所述步骤二中的碳纤维编织布为双向编织布，采用平纹或斜纹。
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