CN107903085A - 一种碳陶制动件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：对碳纤维预制体进行沉碳处理；在所述碳纤维预制体表面使用等离子喷涂制得碳化硅涂层，即得所述碳陶制动件。本发明提供的碳陶制动件的制备方法，操作简单、制备成本低，制得的碳陶制动件致密度高、硬度高、制动性能好。

Description

一种碳陶制动件的制备方法
技术领域
本发明属于碳陶制动件制备技术领域，具体涉及一种碳陶制动件的制备方法。
背景技术
目前广泛使用的工业制动件主要由粉末冶金和C/C复合材料制成。然而，粉末冶金制动材料存在高温易粘结、摩擦性能易衰退、高温强度下降显著、抗热震能力差、使用寿命短等缺点，C/C复合材料存在摩擦系数低、热库体积大、生产周期长及生产成本高等缺点，影响列车的制动效果。
碳陶复合材料是近年来发展的一种新型制动材料，具有密度低、耐高温、能载高、摩擦性能高且稳定等优点，能保障动力机械在高速度、大功率时的制动安全性，能大幅度提高制动效率及制动盘的使用寿命，在汽车、高速列车、飞机等高能制动领域具有广泛的应用前景。目前碳陶制动件的主要制备方法包括以下几种：(1)熔体浸渗法；(2)聚合物浸渗裂解；(3)化学气相渗透法；(4)热压烧结法等等。熔体浸渗的方法在浸渗过程中硅易与碳纤维反应，导致材料力学性能降低，聚合物浸渗裂解工艺繁琐、制备成本高，化学气相渗透法会使材料内部产生较大的密度梯度，在制造过程中需多次进行机加工，操作复杂、成本较高。
如中国专利文献CN103880461B公开了一种高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶的制备方法，具体过程是：将制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体置于热处理炉中，采用常规方法进行热处理去胶；将经过高温热处理的制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体分别置入化学气相沉积炉中，按常规的工艺进行沉积；将达到规定密度的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别置入高温热处理炉中，按常规工艺进行热处理；将经过热处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯按照图纸要求加工成型；将经过机械加工的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别置于坩埚中，并用硅粉覆盖；将所述放置有碳/碳制动盘摩擦片毛坯的坩埚和碳/碳闸片摩擦块毛坯的坩埚分别放入渗硅炉中，按常规方法进行熔融渗硅处理；将经过熔融渗硅处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯放入热处理炉，按常规工艺进行热处理；得到经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块；将经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块进行精加工，得到高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶。该方法要对制动盘经过多次热处理、机加工和熔融渗硅处理才能最终获得碳陶制动盘，操作复杂、工艺繁琐、时间周期长、制备成本较高，且熔融渗硅处理过程中硅易与碳纤维反应，导致材料力学性能降低，熔融渗硅后材料中残余的硅会影响碳陶制动件的抗蠕变性能。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中制备碳陶制动件的操作复杂、工艺繁琐、时间周期长，制得的碳陶制动件在力学性能与摩擦性能上存有缺陷，从而提供一种制动性能好，制备工艺简单，成本较低的碳陶制动件的方法。
为此，本发明提供了一种碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：
(1)对碳纤维预制体进行沉碳处理；
(2)在所述碳纤维预制体表面使用等离子喷涂制得碳化硅涂层。
所述的碳陶制动件的制备方法，所述等离子喷涂使用的碳化硅的粒度为120-500目。
所述的碳陶制动件的制备方法，所述等离子喷涂使用的等离子气体为氩气和氢气。
所述的碳陶制动件的制备方法，所述氩气流量为30-40L/min，所述氢气流量为3-5L/min。
所述的碳陶制动件的制备方法，所述等离子喷涂的功率为55-65kw，距离为150-200mm。
所述的碳陶制动件的制备方法，所述碳陶制动件的制备方法还包括在等离子喷涂制得碳化硅涂层前对碳纤维预制体进行喷砂处理，所述喷砂距离为80-150mm，喷砂风压为0.4-0.8MPa。
所述的碳陶制动件的制备方法，所述沉碳处理的温度为800-1100℃，所述沉碳处理的时间为300-350h。
进一步地，所述沉碳处理的温度为830-890℃，所述沉碳处理的时间为315-345h。
所述的碳陶制动件的制备方法，所述沉碳处理的碳源为正丁烷、乙烯、丁烯或正己烷中的至少一种。
本发明提供了一种由所述的碳陶制动件的制备方法制得的碳陶制动件。
本发明提供了一种碳陶制动盘，包括：
中心盘和设置于所述中心盘外缘的碳陶制动件，所述碳陶制动件为上述碳陶制动件或由上述制备方法制得的碳陶制动件。
进一步地，所述中心盘为铸钢中心盘。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：对碳纤维预制体进行沉碳处理；在所述碳纤维预制体表面使用等离子喷涂制得碳化硅涂层，用等离子喷涂技术将碳化硅高速喷向碳纤维预制体，可在预制体表面形成牢固附着的碳化硅涂层，操作简单，制备成本低。
2、本发明提供的碳陶制动件的制备方法，通过等离子喷涂技术得到的碳化硅涂层平整光滑、致密度高，硬度高、耐磨性能好。
3、本发明提供的碳陶制动件的制备方法，在惰性气体氩气和还原气体氢气的作用下，保护了碳纤维预制体和喷涂所用碳化硅不被氧化，减少碳化硅涂层内杂质，提高碳陶制动件的整体性能。
4、本发明提供的碳陶制动件的制备方法，等离子喷涂过程中，碳纤维预制体与喷枪相对移动速度快，碳纤维不受热，不会对碳纤维预制体的形状和性能造成影响。
5、本发明提供的碳陶制动件的制备方法，在等离子喷涂之前对碳纤维预制体进行喷砂处理，清洁碳纤维预制体表面，使碳纤维预制体表面获得一定的粗糙度，提高与碳化硅涂层的结合力。
6、本发明提供的碳陶制动件，在到达预期使用寿命后，可进行回收，通过机加工的方式将表面涂层去除，重新喷涂碳化硅涂层后可重复利用，进一步降低制备成本。
7、本发明提供的碳陶制动盘，包括中心盘和碳陶制动件，所述中心盘选用铸钢中心盘，强度高，质量轻，相比于传统铸铁盘可减重50％，有效减少燃油消耗量，节省动能，减少尾气排放，与所述碳陶制动件固定连接制成碳陶制动盘，制动性能好，刹车距离短，使用寿命长。
具体实施方式
以下通过具体实施例来说明本发明的实施方式，除非另外说明，本发明中所公开的实验方法均采用本技术领域常规技术。
实施例1
本实施例提供了一种碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维无纬布叠层排布，其中相邻层间的碳纤维呈90°排列，然后在厚度方向进行针刺，制备出碳纤维预制体；
(2)将碳纤维预制体置于化学气相沉积炉中，以正丁烷为碳源气，沉碳温度为850℃，沉碳时间为320h，即得沉碳处理后的碳纤维预制体；
(3)对沉碳处理过的碳纤维预制体进行喷砂处理，砂料为棕刚玉，喷砂距离为100mm，喷砂风压为0.6MPa；
(4)以300目碳化硅为原料，氩气流量35L/min，氢气流量4L/min进行等离子喷涂，喷涂功率为60kw，喷涂距离为150mm，在碳纤维预制体表面均匀喷涂碳化硅涂层至碳化硅涂层厚度达到1.5mm,即得所述碳陶制动件。
所述碳陶制动件与铸钢中心盘固定连接制成碳陶制动盘。
实施例2
本实施例提供了一种碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维无纬布叠层排布，其中相邻层间的碳纤维呈45°排列，然后在厚度方向进行针刺，制备出碳纤维预制体；
(2)将碳纤维预制体置于化学气相沉积炉中，以乙烯为碳源气，沉碳温度为1100℃，沉碳时间为300h，即得沉碳处理后的碳纤维预制体；
(3)对沉碳处理过的碳纤维预制体进行喷砂处理，砂料为棕刚玉，喷砂距离为80mm，喷砂风压为0.4MPa；
(4)以120目碳化硅为原料，氩气流量40L/min，氢气流量5L/min进行等离子喷涂，喷涂功率为65kw，喷涂距离为200mm，在碳纤维预制体表面均匀喷涂碳化硅涂层至碳化硅涂层厚度达到2mm，即得所述碳陶制动件。
所述碳陶制动件与铸钢中心盘固定连接制成碳陶制动盘。
实施例3
本实施例提供了一种碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维无纬布叠层排布，其中相邻层间的碳纤维呈30°排列，然后在厚度方向进行针刺，制备出碳纤维预制体；
(2)将碳纤维预制体置于化学气相沉积炉中，以丁烯为碳源气，沉碳温度为800℃，沉碳时间为350h，即得沉碳处理后的碳纤维预制体；
(3)对沉碳处理过的碳纤维预制体进行喷砂处理，砂料为石英砂，喷砂距离为150mm，喷砂风压为0.5MPa；
(4)以500目碳化硅为原料，氩气流量30L/min，氢气流量3L/min进行等离子喷涂，喷涂功率为55kw，喷涂距离为160mm，在碳纤维预制体表面均匀喷涂碳化硅涂层至碳化硅涂层厚度达到1mm，即得所述碳陶制动件。
所述碳陶制动件与铸钢中心盘固定连接制成碳陶制动盘。
实施例4
本实施例提供了一种碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维无纬布叠层排布，其中相邻层间的碳纤维呈60°排列，然后在厚度方向进行针刺，制备出碳纤维预制体；
(2)将碳纤维预制体置于化学气相沉积炉中，以正丁烷为碳源气，沉碳温度为830℃，沉碳时间为345h，即得沉碳处理后的碳纤维预制体；
(3)对沉碳处理过的碳纤维预制体进行喷砂处理，砂料为棕刚玉，喷砂距离为140mm，喷砂风压为0.8MPa；
(4)以200目碳化硅为原料，氩气流量38L/min，氢气流量5L/min进行等离子喷涂，喷涂功率为58kw，喷涂距离为170mm，在碳纤维预制体表面均匀喷涂碳化硅涂层至碳化硅涂层厚度达到1.2mm，即得所述碳陶制动件。
所述碳陶制动件与铸钢中心盘固定连接制成碳陶制动盘。
实施例5
本实施例提供了一种碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维无纬布叠层排布，其中相邻层间的碳纤维呈50°排列，然后在厚度方向进行针刺，制备出碳纤维预制体；
(2)将碳纤维预制体置于化学气相沉积炉中，以正己烷为碳源气，沉碳温度为890℃，沉碳时间为315h，即得沉碳处理后的碳纤维预制体；
(3)对沉碳处理过的碳纤维预制体进行喷砂处理，砂料为石英砂，喷砂距离为120mm，喷砂风压为0.7MPa；
(4)以400目碳化硅为原料，氩气流量33L/min，氢气流量4L/min进行等离子喷涂，喷涂功率为60kw，喷涂距离为180mm，在碳纤维预制体表面均匀喷涂碳化硅涂层至碳化硅涂层厚度达到1.8mm，即得所述碳陶制动件。
所述碳陶制动件与铸钢中心盘固定连接制成碳陶制动盘。
对比例1
本对比例提供了一种碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维无纬布叠层排布，其中相邻层间的碳纤维呈90°排列，然后在厚度方向进行针刺，制备出碳纤维预制体；
(2)将碳纤维预制体置于化学气相沉积炉中，以正丁烷为碳源气，沉碳温度为850℃，沉碳时间为320h，即得沉碳处理后的碳纤维预制体；
(3)对沉碳处理过的碳纤维预制体进行喷砂处理，砂料为棕刚玉，喷砂距离为100mm，喷砂风压为0.6MPa；
(4)将碳纤维预制体置于2600℃的高温热处理炉中，保温4h后冷却至100℃出炉，精加工后埋入装有300目硅粉的坩埚中，放入渗硅炉内，在1600℃下进行熔融渗硅处理，保温20min后放入热处理炉中，在2200℃下进行热处理，保温4h后冷却至100℃下出炉进行精加工，即得所述碳陶制动件。
对比例2
本对比例提供了一种碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维无纬布叠层排布，其中相邻层间的碳纤维呈90°排列，然后在厚度方向进行针刺，制备出碳纤维预制体；
(2)将碳纤维预制体置于化学气相沉积炉中，以正丁烷为碳源气，沉碳温度为850℃，沉碳时间为320h，即得沉碳处理后的碳纤维预制体；
(3)对沉碳处理过的碳纤维预制体进行喷砂处理，砂料为棕刚玉，喷砂距离为100mm，喷砂风压为0.6MPa；
(4)将碳纤维预制体置于2600℃的高温热处理炉中，保温4h后冷却，精加工后埋入装有300目硅粉的坩埚中，放入渗硅炉内，在1600℃下进行熔融渗硅处理；
(5)利用化学气相渗积法对碳陶制动件进行处理，以三氯甲基硅烷为液态先驱体原料，氢气为载气，惰性气体氩气作为稀释气体，渗积温度为1150℃，渗积压力为500Pa，渗积时间为20h，三氯甲基硅烷、氢气和氩气的体积比为1：9：3，然后进行机加工即得所述碳陶制动件。
效果例1
本效果例对实施例1-5制得的碳陶制动件和对比例1、对比例2制得的碳陶制动件进行了性能方面的测试，相应的测试结果如表1所示。
表1性能测试
由上表可见，本发明实施例中制得碳陶制动件具有良好的摩擦性能，具有较高的拉伸强度，抗形变能力好，表面硬度高、耐磨性能好。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种碳陶制动件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
对碳纤维预制体进行沉碳处理；
在所述碳纤维预制体表面使用等离子喷涂制得碳化硅涂层，即得所述碳陶制动件。
2.根据权利要求1所述的碳陶制动件的制备方法，其特征在于，所述等离子喷涂使用的碳化硅的粒度为120-500目。
3.根据权利要求1或2所述的碳陶制动件的制备方法，其特征在于，所述等离子喷涂使用的等离子气体为氩气和氢气。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的碳陶制动件的制备方法，其特征在于，所述氩气流量为30-40L/min，所述氢气流量为3-5L/min。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的碳陶制动件的制备方法，其特征在于，所述等离子喷涂的功率为55-65kw，距离为150-200mm。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的碳陶制动件的制备方法，其特征在于，所述碳陶制动件的制备方法还包括在等离子喷涂制得碳化硅涂层前对碳纤维预制体进行喷砂处理，所述喷砂距离为80-150mm，喷砂风压为0.4-0.8MPa。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的碳陶制动件的制备方法，其特征在于，所述沉碳处理的温度为800-1100℃，所述沉碳处理的时间为300-350h。
8.根据权利要求7所述的碳陶制动件的制备方法，其特征在于，所述沉碳处理的温度为830-890℃，所述沉碳处理的时间为315-345h。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的碳陶制动件的制备方法，其特征在于，所述沉碳处理的碳源为正丁烷、乙烯、丁烯或正己烷中的至少一种。
10.一种由权利要求1-9任意一项所述的碳陶制动件的制备方法制得的碳陶制动件。
11.一种碳陶制动盘，其特征在于，包括，中心盘和设置于所述中心盘外缘的碳陶制动件，所述碳陶制动件为权利要求10所述的碳陶制动件或权利要求1-9任一所述制备方法制得的碳陶制动件。
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