CN106507783B - 碳/碳化硅陶瓷基复合材料刹车盘的制造方法 - Google Patents
碳/碳化硅陶瓷基复合材料刹车盘的制造方法Info
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Abstract
本发明涉及一种碳/碳化硅陶瓷基复合材料刹车盘的制造方法，该方法包括：制备碳纤维预制体、化学气相沉积法制备碳/碳复合材料、碳/碳复合材料高温石墨化处理、碳/碳复合材料在粉料包埋中进行反应熔体浸渗处理。该方法制备工艺简单、工艺过程可控性强、重复性好、成本低。本发明制造的碳/碳化硅陶瓷基复合材料刹车盘的摩擦性能较高且稳定，磨损率小，摩擦性能对环境湿度和温度不敏感，并且具有优良的力学性能和抗氧化性能，能满足飞机、坦克等高能载刹车材料的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳/碳化硅陶瓷基复合材料刹车盘的制造方法，特别是涉及一种高性能碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料刹车盘的制造方法。
背景技术
碳/碳化硅陶瓷基复合材料作为一种新型刹车材料，与传统的金属和半金属刹车材料相比，其具有密度低、摩擦系数稳定、磨损量小、制动比大和使用寿命长等突出优点，在飞机、坦克等高能载刹车领域具有广泛的应用。与碳/碳复合材料相比，碳/碳化硅复合材料具有优良的抗氧化性能及摩擦系数高而且稳定等突出优点，从而显著提高了使用温度和减少刹车系统的体积，大大提高了刹车的安全性。碳/碳化硅陶瓷基复合材料的制造方法主要是反应熔体浸渗法(RMI)。反应熔体浸渗法制备碳/碳化硅陶瓷基复合材料的基本原理是：将金属硅熔化后，利用熔融液态硅与碳/碳复合材料之间润湿性能好的特点，在毛细管力的作用下硅熔体能自发渗入到多孔碳/碳材料内部，并同时与基体碳发生化学反应生成碳化硅陶瓷基复合材料。反应熔体浸渗法是一种典型的低成本制造技术，能够在很短时间内制备出几乎完全致密的复合材料，并且在制备过程中不存在体积变化。
为了保证反应熔体浸渗过程的顺利进行，通常都是将多孔碳/碳复合材料直接浸入在金属硅熔体中，其主要不足之处在于：(1)硅熔体的渗透和化学反应过程存在严重的不均匀性：与熔体液面距离越远，渗透效果越差；(2)为了保证多孔碳/碳复合材料能够被硅熔体充分渗透，必须使得硅量有足够多的富余，而富余的硅会和复合材料之间发生严重的粘附，粘附在材料外表面的硅在凝固过程中发生体积膨胀(8％)，使得碳/碳化硅陶瓷基复合材料发生严重的结构性损伤；(3)渗透到多孔碳/碳复合材料与基体碳反应的过程中，必然会与碳纤维反应，造成对纤维的损伤和材料的力学性能严重恶化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种碳/碳化硅陶瓷基复合材料刹车盘的制造方法，该方法制造的刹车盘不仅致密性好，摩擦系数较高且稳定，力学性能优异，而且工艺稳定性好，成本低廉。
本发明碳/碳化硅陶瓷基复合材料刹车盘的制造方法，该方法依次包括以下步骤：
(1)将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加若干层，采用接力式针刺方法制备得到密度为0.3～0.6g/cm3碳纤维预制体；
(2)将所得纤维预制体采用化学气相沉积法进行致密化处理，沉积温度为900～1100℃，气体为碳氢化合物气体，得到密度为1.3～1.6g/cm3的碳/碳复合材料；
(3)将所得碳/碳复合材料进行高温石墨化处理得到多孔碳/碳复合材料，处理温度：2000～2600℃，保温时间：1～5h，处理气氛：Ar气；
(4)将所得多孔碳/碳复合材料用粉料包埋在石墨坩埚中，粉料由硅粉和碳化硅粉组成，粉料中硅粉含量为10～80％，粉料的粒度为：小于180目。
(5)将用上述粉料包埋后的多孔碳/碳复合材料在真空炉中进行反应熔体浸渗处理，浸渗温度：1420～1800℃，保温时间：0.1～5h，得到碳/碳化硅复合材料刹车盘。
本发明的主要优点是：(1)采用粉料包埋处理后，能够保证反应熔体浸渗过程沿材料各个表面的均匀发生，所制备的碳/碳化硅复合材料性能稳定。(2)在粉料中由于存在一定量的碳化硅粉料，能够有效避免富余硅的粘接现象，能直接制造出无结构缺陷、表面光洁和形状复杂的刹车盘。(3)采用针刺结构的纤维预制体，不仅能够充分保证刹车片摩擦性能，而且能显著降低材料的磨损率。(4)能够制备出气孔率小于5％的碳/碳化硅复合材料，材料的摩擦性能对湿度和温度不敏感。(5)摩擦系数较高且稳定，磨损率小，摩擦性能优良。(6)碳纤维单丝表面包覆较厚的热解碳，从而反应熔体浸渗过程中对纤维的损伤小，有效避免了材料的脆性，实现了材料强度和韧性之间的协同设计与制造。(7)在碳/碳化硅陶瓷基复合材料中，碳纤维的表面由硅和碳化硅包覆，从而具有良好的抗氧化能力。(8)工艺过程简单、重复性好，适合于工业化批量生产。
具体实施方式
下面结合实施实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
(1)将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加若干层，采用接力式针刺方法制备得到密度为0.5g/cm3碳纤维预制体；
(2)将所得纤维预制体采用化学气相沉积法进行致密化处理，沉积温度为900℃，气体为丙稀气体，得到密度为1.5g/cm3的碳/碳复合材料；
(3)将所得碳/碳复合材料进行高温石墨化处理得到多孔碳/碳复合材料，处理温度：2500℃，保温时间：1h，处理气氛：Ar气；
(4)将所得多孔碳/碳复合材料用粉料包埋在石墨坩埚中，粉料由硅粉和碳化硅粉组成，粉料中硅粉含量为20％，粉料的粒度为：325目。
(5)将用上述粉料包埋后的多孔碳/碳复合材料在真空炉中进行反应熔体浸渗处理，浸渗温度：1450℃，保温时间：0.5h，得到碳/碳化硅复合材料刹车盘。
实施例2
(1)将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加若干层，采用接力式针刺方法制备得到密度为0.6g/cm3碳纤维预制体；
(2)将所得纤维预制体采用化学气相沉积法进行致密化处理，沉积温度为900℃，气体为丙稀气体，得到密度为1.6g/cm3的碳/碳复合材料；
(3)将所得碳/碳复合材料进行高温石墨化处理得到多孔碳/碳复合材料，处理温度：2500℃，保温时间：3h，处理气氛：Ar气；
(4)将所得多孔碳/碳复合材料用粉料包埋在石墨坩埚中，粉料由硅粉和碳化硅粉组成，粉料中硅粉含量为30％，粉料的粒度为：200目。
(5)将用上述粉料包埋后的多孔碳/碳复合材料在真空炉中进行反应熔体浸渗处理，浸渗温度：1600℃，保温时间：1h，得到碳/碳化硅复合材料刹车盘。
Claims (1)
1.一种碳/碳化硅陶瓷基复合材料刹车盘的制造方法，该方法依次包括以下步骤：
(1)将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加若干层，采用接力式针刺方法制备得到密度为0.3～0.6g/cm3碳纤维预制体；
(2)将所得纤维预制体采用化学气相沉积法进行致密化处理，沉积温度为900～1100℃，气体为碳氢化合物气体，得到密度为1.3～1.6g/cm3的碳/碳复合材料；
(3)将所得碳/碳复合材料进行高温石墨化处理得到多孔碳/碳复合材料，处理温度：2000～2600℃，保温时间：1～5h，处理气氛：Ar气；
(4)将所得多孔碳/碳复合材料用粉料包埋在石墨坩埚中，粉料由硅粉和碳化硅粉组成，粉料中硅粉含量为10～80％(重量)，粉料的粒度为：小于180目，
(5)将用上述粉料包埋后的多孔碳/碳复合材料在真空炉中进行反应熔体浸渗处理，浸渗温度：1420～1800℃，保温时间：0.1～5h，得到碳/碳化硅复合材料刹车盘。
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