CN107573075B - 利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，将碳纤维预浸带裁剪为长度3‑10mm的短碳纤维带并压制成刹车盘坯体，再将坯体碳化得到碳/碳预制体，最后经渗碳处理即制得产品，所述渗碳处理是指，将碳/碳预制体置于石墨坩埚中，在真空或惰性气氛保护下，在1550‑1650℃下加热处理0.5‑2h，而后随炉降温冷却即完成渗碳处理。本发明的C/SiC复合材料在碳碳预制体的制备上具有成本较低、工艺周期短、制备过程无污染、简单可控等优点，有望于在C/SiC复合刹车盘上得到广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及到碳化硅陶瓷基复合材料领域，具体的说是一种利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法。
背景技术
C/C、C/C-SiC及C/SiC复合材料由于具有耐高温、耐腐蚀、质量轻、摩擦磨损性能稳定和机械强度高等优点而得到越来越广泛的研究，已被成功地应用到航空航天、高速火车及赛车等领域，如当前最广泛的应用是用于各种机型的刹车盘中。
用于制作刹车盘的C-SiC材料一般有以下几种方式制备得到，其一是分别制备带有不同电荷的SiC和C预制体，而后再将两者进行烧结得到C-SiC材料，如专利CN104311034A和专利CN104387069A：
CN104311034A公开了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。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；
而CN104387069A公开了一种用于飞机刹车盘的碳/碳化硅摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
第1步、阳离子预制体的制备：按重量份计，取脂肪酸锌20～30份，加热至150～170℃，然后加入碳化硅粉体20～30份，搅拌均匀，冷却后，得到改性粉体；再加入阳离子表面活性剂2～4份、甘油10～20份，在混合机中初混，再加入乙撑双硬脂酰胺5～10份，升温混合，冷却至室温，得到阳离子预制体；
第2步、阴离子预制体的制备：取煅烧石油焦碳30～40份、阴离子表面活性剂2～4份、环氧树脂10～20份，乙酸乙酯15～30份，升温混合，冷却后，得到阴离子预制体；
第3步、将阳离子预制体、阴离子预制体进行混合，烘干、球磨，得到混合物；
第4步、将混合物与石墨粉10～20份、氧化钛粉末2～4份、铁粉4～8份、镍粉2～4份、甲基硅油12～24份、聚碳酸酯5～10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。通过将焦碳和碳化硅分别通过制成预制体的方式，使它们带不同的电荷，使两者之间能形成较好的包裹，进而提高了摩擦材料的摩擦性能；
以上方法虽然能够提高材料的摩擦性能，但是在成本、规模以及生产效率方面存在一定的缺陷；
另一种生产C-SiC材料的方法是，以碳纤维为原料，结合硅粉、石墨粉直接反应烧结得到，如专利CN101486588A和专利CN102746015A：
CN101486588A公开了一种炭纤维增强炭-碳化硅双基体摩擦材料的制备方法，采用短切炭纤维、石墨粉、工业硅粉和粘结剂冷压成炭纤维增强石墨粉和硅粉的(C/C-SI)块体材料,将制得的C/C-SI块体材料进行机械破碎并且造粒,然后将颗粒温压成C/C-SI素坯,将C/C-SI素坯炭化制得C/C-SI多孔体，最后对C/C-SI多孔体进行非浸泡式定向熔硅浸渗制得炭纤维增强炭-碳化硅双基体(C/C-SIC)材料；
CN102746015A公开了一种反应烧结碳/碳-碳化硅-氮化硼复合摩擦材料及其制备方法，由以下重量百分比的原料组成，经碳纤维分散、混料、温压成形、炭化、反应烧结制成：5～20%短切碳纤维、2～6%氮化硼粉、5～15%硅粉、25～48%石墨粉、5～15%碳化硅粉、20～45%热固性树脂粉；
但是这种制备方法存在的问题是最终制备得到的材料存在着摩擦系数不好的问题；
最后一种方法也是采用碳纤维复合材料制成，但是其制备的基本思路是，先将碳纤维增强材料预先制成预制体，然后再以基体碳填充逐渐形成致密的C/C复合材料或采用熔渗的方法制备C/C-SiC、C/SiC等纤维复合材料；
碳纤维基复合材料成本的主要组成部分之一是预制体的价格，目前，制备碳纤维复合材料刹车盘预制体的方法有3种：碳布叠层、碳纤维及毡叠层针刺、短纤维浸树脂模压。以目前国内炭刹车盘生产厂家普遍采用的整体针刺毡为例，其价格占到C/C复合材料成本的1/2左右。而短纤维浸树脂模压预制体在制造过程中，几乎可以100 %的利用预制体中的炭纤维（针刺毡预制体仅为50 %～60 %），且工序相对简单，因此采用短纤维预制体可以大幅度降低碳纤维复合材料的成本。但是直接采用短纤维浸渍模压的过程中会存在纤维含量不可设计，制备工艺周期长，纤维均匀性分散等问题。
发明内容
为了解决现有采用碳纤维复合材料制成刹车盘时存在的工艺周期长、成本高等问题，本发明提供了一种利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，该方法利用碳纤维预浸带为原料进行生产，具有工艺周期短、纤维含量可设计、操作方便、可靠性高等优点。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，将碳纤维预浸带裁剪为长度3-10mm的短碳纤维带并压制成刹车盘坯体，再将坯体碳化得到碳/碳预制体，最后经渗碳处理即制得产品，所述渗碳处理是指，将碳/碳预制体置于石墨坩埚中，在真空或惰性气氛保护下，在1550-1650℃下加热处理0.5-2h，而后随炉降温冷却即完成渗碳处理。
本发明中，所述坯体碳化是指，在氮气或氩气气氛保护气氛或10-2Pa的真空度下，将坯体在800-1000℃下加热1-3h即完成碳化。
本发明中，所述碳纤维预浸带裁剪成短碳纤维带后需要经过分散处理形成短碳纤维，而后再压制成刹车盘坯体，所述分散处理是指，将裁剪后得到的短碳纤维带放入机械振动台中进行振动分散，其中，振动的功率为1.2KW，振动的频率为300HZ，振幅为3mm，振动的时间为30min。
本发明中，所述分散处理后形成的短碳纤维中加入有其总质量4-8%的耐磨添加剂，混合均匀后再进行压制，所述耐磨添加剂为丁腈橡胶粉、邻苯二甲酸二辛酯、氧化锌、苯磺酸和KH570以16-20：0.8-1.2:2-3:4-6:1-2的比例混合而成。
本发明中，所述压制成刹车盘坯体时所用的成型压力为150-250Mpa。
本发明中，所述碳纤维预浸带的面密度为100-150g/m2。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
首先，本发明采用碳纤维预浸带制备碳/碳预制体，避免了直接采用短切纤维时需要浸渍树脂的过程，其工艺周期短；且采用的纤维预浸带的面密度及树脂质量分数可控，实现纤维的含量可设计性，因此在降低成本的同时实现性能的调控；
其次，将裁短得到的碳纤维采用振动的方式进行分散，使纤维分散均匀密实，此方法降低了分散过程中的成本，无污染，在分散效率提高的同时缩短了分散周期；将分散均匀的纤维经过简单的压制和碳化处理即得到碳碳预制体，经渗硅得到力学性能优异的C/SiC陶瓷基复合材料，可将其应用于刹车盘等摩擦磨损材料上；
再次，在分散后的短碳纤维中加入耐磨添加剂来增强所制成刹车盘的摩擦性能，耐磨添加剂中加入的丁腈橡胶粉在邻苯二甲酸二辛脂的作用下能够改变其表面形貌，使最终的摩擦材料的断裂韧性提高；同时，苯磺酸的加入，改变了氧化锌和丁腈橡胶粉的表面荷电性，使其更加容易与有机材料基体相结合，同时也使两者在KH570的作用下，表面的粘附性以及结合力增大，从而更加容易与短碳纤维结合，并增强短碳纤维间的结合强度，进而增强了最终生产的刹车盘的摩擦性能；
最后，本发明的C/SiC复合材料在碳碳预制体的制备上具有成本较低、工艺周期短、制备过程无污染、简单可控等优点，有望于在C/SiC复合刹车盘上得到广泛的应用。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的以及有益效果易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，将碳纤维预浸带裁剪为长度3-10mm的短碳纤维带并压制成刹车盘坯体，再将坯体碳化得到碳/碳预制体，最后经渗碳处理即制得产品，所述渗碳处理是指，将碳/碳预制体置于石墨坩埚中，在真空或惰性气氛保护下，在1550-1650℃下加热处理0.5-2h，而后随炉降温冷却即完成渗碳处理。
以上为本发明的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定：
如，所述坯体碳化是指，在氮气或氩气气氛保护气氛或10-2Pa的真空度下，将坯体在800-1000℃下加热1-3h即完成碳化；
又如，所述碳纤维预浸带裁剪成短碳纤维带后需要经过分散处理形成短碳纤维，而后再压制成刹车盘坯体，所述分散处理是指，将裁剪后得到的短碳纤维带放入机械振动台中进行振动分散，其中，振动的功率为1.2KW，振动的频率为300HZ，振幅为3mm，振动的时间为30min；
再如，所述分散处理后形成的短碳纤维中加入有其总质量4-8%的耐磨添加剂，混合均匀后再进行压制，所述耐磨添加剂为丁腈橡胶粉、邻苯二甲酸二辛酯、氧化锌、苯磺酸和KH570以16-20：0.8-1.2:2-3:4-6:1-2的比例混合而成；
又再如，所述压制成刹车盘坯体时所用的成型压力优选为150-250Mpa；
最后，所述碳纤维预浸带的面密度优选为100-150g/m2。
下面结合具体实施例以及对比实验对本发明的技术方案和效果做进一步的阐述，以下实施例和对比实验中所用的碳纤维预浸带均为市售产品，其面密度为100-150g/m2：
实施例1
利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，步骤如下：
1）将连续碳纤维预浸带经裁短得到长度为3mm的短切碳纤维；
2）将短切碳纤维置于模具腔中，然后放在机械振动台中，设定振动的功率为1.2KW、振动的频率为300HZ、振幅为3mm、振动的时间为30min；
3）将模具腔从机械振动台中取出，置于压机上压制成型，成型压力为150MPa，将得到的坯体在800℃下碳化3h得到碳/碳预制体；
4）用硅粉包埋碳/碳预制体，将其置于石墨坩埚内，在真空或者惰性气氛保护下，在1650℃下保温2h，之后随炉降温冷却；
5）取出石墨坩埚内所得坯体，即得产品。
实施例2
利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，步骤如下：
1）将连续碳纤维预浸带经裁短得到长度为10mm的短切碳纤维；
2）将短切碳纤维置于模具腔中，然后放在机械振动台中，设定振动的功率为1.2KW、振动的频率为300HZ、振幅为3mm、振动的时间为30min；
3）将模具腔从机械振动台中取出，置于压机上压制成型，成型压力为250MPa，将得到的坯体在1000℃下碳化1h得到碳/碳预制体；
4）用硅粉包埋碳/碳预制体，将其置于石墨坩埚内，在真空或者惰性气氛保护下，在1650℃下保温0.5 h，之后随炉降温冷却；
5）取出石墨坩埚内所得坯体，即得产品。
实施例3
利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，步骤如下：
1）将连续碳纤维预浸带经裁短得到长度为6mm的短切碳纤维；
2）将短切碳纤维置于模具腔中，然后放在机械振动台中，设定振动的功率为1.2KW、振动的频率为300HZ、振幅为3mm、振动的时间为30min；
3）将模具腔从机械振动台中取出，置于压机上压制成型，成型压力为200MPa，将得到的坯体在900℃下碳化2h得到碳/碳预制体；
4）用硅粉包埋碳/碳预制体，将其置于石墨坩埚内，在真空或者惰性气氛保护下，在1600℃下保温1.5h，之后随炉降温冷却；
5）取出石墨坩埚内所得坯体，即得产品。
对比例1
按照实施例1的方法进行生产，区别在于，步骤2）振动分散后的短碳纤维在压制成型前，向其中加入了其总质量4%的耐磨添加剂，混合均匀后再进行压制，所述耐磨添加剂为丁腈橡胶粉、邻苯二甲酸二辛酯、氧化锌、苯磺酸和KH570以16：0.8:2:4:1的比例混合而成；
对比例2
按照实施例1的方法进行生产，区别在于，步骤2）振动分散后的短碳纤维在压制成型前，向其中加入了其总质量8%的耐磨添加剂，混合均匀后再进行压制，所述耐磨添加剂为丁腈橡胶粉、邻苯二甲酸二辛酯、氧化锌、苯磺酸和KH570以20：1.2:3:6:2的比例混合而成；
对比例3
按照实施例1的方法进行生产，区别在于，步骤2）振动分散后的短碳纤维在压制成型前，向其中加入了其总质量6%的耐磨添加剂，混合均匀后再进行压制，所述耐磨添加剂为丁腈橡胶粉、邻苯二甲酸二辛酯、氧化锌、苯磺酸和KH570以18：1:2.5:5:1.5的比例混合而成；
对比例4
按照实施例1的方法进行生产，区别在于，步骤2）振动分散后的短碳纤维在压制成型前，向其中加入了其总质量6%的丁腈橡胶粉；
对比例5
按照实施例1的方法进行生产，区别在于，步骤2）振动分散后的短碳纤维在压制成型前，向其中加入了其总质量6%的丁腈橡胶粉与KH570以18:1.5的比例混合后的混合物；
对比例6
按照实施例1的方法进行生产，区别在于，步骤2）振动分散后的短碳纤维在压制成型前，向其中加入了其总质量6%的耐磨添加剂X，该耐磨添加剂X的比例为，丁腈橡胶粉、邻苯二甲酸二辛酯、氧化锌和KH570以18：1:2.5:1.5的比例混合而成.
摩擦性能对比实验
选取实施例1、对比例1-6的产品做成刹车盘样品，并将其依次编号为样品1-7，首先利用摩擦系数测定仪测定样品的动摩擦系数，而后再进行摩擦性能实验，摩擦性能实验的方法为：向刹车盘样品提供10MPa的压力，以使其贴合在转速为5000/min的钢制转盘表面上，从而模拟刹车盘的工作状态，测试时间为10h，实验结束后，测定材料的磨损率；
实验结果为：
样品1：摩擦系数为0.45-0.65，磨损率为0.15mm/h；
样品2：摩擦系数为0.92-1.22，磨损率为0.07mm/h；
样品3：摩擦系数为1.17-1.34，磨损率为0.05mm/h；
样品4：摩擦系数为1.03-1.28，磨损率为0.06mm/h；
样品5：摩擦系数为0.7-0.82，磨损率为0.12mm/h；
样品6：摩擦系数为0.75-0.9，磨损率为0.11mm/h；
样品7：摩擦系数为0.78-0.95，磨损率为0.09mm/h。
以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，将碳纤维预浸带裁剪为长度3-10mm的短碳纤维带并压制成刹车盘坯体，再将坯体碳化得到碳/碳预制体，最后经渗硅处理即制得产品，其特征在于：所述渗硅处理是指，用硅粉包埋碳/碳预制体，将其置于石墨坩埚中，在真空或惰性气氛保护下，在1550-1650℃下加热处理0.5-2h，而后随炉降温冷却即完成渗硅处理；
所述碳纤维预浸带裁剪成短碳纤维带后需要经过分散处理形成短碳纤维，而后再压制成刹车盘坯体，所述分散处理是指，将裁剪后得到的短碳纤维带放入机械振动台中进行振动分散，其中，振动的功率为1.2KW，振动的频率为300HZ，振幅为3mm，振动的时间为30min；
所述分散处理后形成的短碳纤维中加入有其总质量4-8%的耐磨添加剂，混合均匀后再进行压制，所述耐磨添加剂为丁腈橡胶粉、邻苯二甲酸二辛酯、氧化锌、苯磺酸和KH570以16-20：0.8-1.2:2-3:4-6:1-2的比例混合而成。
2.根据权利要求1所述的利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，其特征在于：所述坯体碳化是指，在氮气或氩气气氛保护气氛或10-2Pa的真空度下，将坯体在800-1000℃下加热1-3h即完成碳化。
3.根据权利要求1所述的利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，其特征在于：所述压制成刹车盘坯体时所用的成型压力为150-250Mpa。
4.根据权利要求1所述的利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法，其特征在于：所述碳纤维预浸带的面密度为100-150g/m2。
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