CN110668838A - 一种碳陶刹车构件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳陶刹车构件及其制备方法。所述方法包括如下步骤:依次将0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网循环层叠并缝合,将其进行热处理,完成后完全浸渍于有机前驱体溶液中,得三维针刺碳纤维浸渍体;再升温进行裂解,完成后通过CVI沉积热解碳得到碳/碳复合材料,再进行真空高温热处理,即得低密度碳/碳复合材料;将低密度碳/碳复合材料在高温高真空条件下进行反应熔体浸渗处理,完成后冷却至室温,即得碳陶刹车构件。所述制备方法能够避免现有三维针刺碳陶刹车材料中由于陶瓷相(硬质相)分布不均匀引起材料耐摩擦、耐磨损性能不稳定的情况,即能大幅度提高陶瓷相于材料中分布的均匀性,同时提高材料耐摩擦、耐磨损性能。

Description

一种碳陶刹车构件及其制备方法
技术领域
本发明属于刹车材料技术领域,具体涉及一种碳陶刹车构件及其制备方法。
背景技术
碳陶刹车材料相对金属和碳/碳刹车材料来说,克服了金属材料耐温低、重量大、易锈蚀,以及碳/碳刹车材料抗氧化性能差、湿态摩擦性能衰减严重和静摩擦系数低等缺点,具有密度低、耐高温、高强度、摩擦性能稳定、磨损小和使用寿命长等优点。尤其在长时间连续刹车时性能不衰退,大大提高了刹车的安全性。其在飞机、坦克、高速列车、重卡、轿车以及高速电梯等刹车领域具有广泛的应用前景。
目前成熟应用的碳陶刹车材料有两种,一种是通过短纤维预浸料热压、裂解、渗硅得到短纤维增强的碳陶刹车材料,其力学性能较低,结构可靠性差,使用过程中会出现开裂和掉块,影响服役安全性和使用寿命;另一种为通过三维针刺纤维预制体经化学气相沉积热解碳,再渗硅得到连续纤维增强的碳陶刹车材料,其力学性能优异,结构可靠。
传统三维针刺纤维预制体是由0°碳纤维无纬布、胎网层和90°碳纤维无纬布反复铺层然后针刺而成,通过沉积热解碳,然后渗硅得到的三维针刺碳陶刹车材料。该材料是一种各向异性材料,材料物相分布极不均匀,在无纬布层以热解碳和碳纤维为主,在胎网层以陶瓷相为主。摩擦面平行于无纬布层,在刹车过程中,当磨到无纬布层时,就表现为碳相(软质相)的摩擦磨损性能;当磨到胎网层时,就表现为陶瓷相(硬质相)的摩擦磨损性能。这就引起三维针刺碳陶刹车材料在服役过程中摩擦磨损性能不稳定。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题,本发明提供了一种碳陶刹车构件及其制备方法。所述制备方法工艺简单可控,避免现有三维针刺碳陶刹车材料中由于陶瓷相(硬质相)分布不均匀引起材料耐摩擦、耐磨损性能不稳定的情况,即能大幅度提高陶瓷相于材料中分布的均匀性,同时提高材料耐摩擦、耐磨损性能。
本发明的方案是,提供一种碳陶刹车构件的制备方法,包括如下步骤:
(1)将有机前驱体与二甲苯在惰性气氛条件下进行混合,得有机前驱体溶液;
(2)依次将“0°无纬布”、“胎网”、“90°无纬布”、“胎网”循环层叠并通过针刺技术缝合,得三维针刺碳纤维预制体;
(3)将步骤(2)所得三维针刺碳纤维预制体进行热处理,完成后完全浸渍于步骤(1)所得的有机前驱体溶液中,取出得三维针刺碳纤维浸渍体;
(4)将步骤(3)所得三维针刺碳纤维浸渍体梯度升温至900~1000℃进行裂解,完成后得含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体;
(5)将步骤(4)所得含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体通过CVI沉积热解碳得到碳/碳复合材料,再进行真空高温热处理,即得低密度碳/碳复合材料;
(6)将步骤(5)所得低密度碳/碳复合材料在高温高真空条件下进行反应熔体浸渗(RMI)处理,完成后冷却至室温,即得碳陶刹车构件。
优选地,步骤(1)中,所述有机前驱体与二甲苯的重量比为3~7:7~3;所述有机前驱体为聚甲基硅烷、聚碳硅烷或聚氮硅烷中的一种;所述惰性气氛为氮气气氛或氩气气氛;所述混合时间为10~30min。充入惰性气体能够防止有机前驱体溶液被氧化。
优选地,步骤(2)中,所述胎网与无纬布的总层数的体积比为1:1~4。在具体操作过程中,循环层叠的数量可按需进行。
优选地,步骤(2)中,所述针刺的密度为25~30针/cm2;所述三维针刺碳纤维预制体的密度为0.35~0.6g/cm3
优选地,步骤(3)中,所述热处理的温度为1200~2200℃,所述热处理的时间为1~5h,所述热处理在真空条件或氩气气氛中进行。
优选地,步骤(3)中,所述浸渍的时间为10~30min,浸渍所处的环境压强低于1000Pa。
优选地,步骤(4)中,所述梯度升温的方式为:从室温以5℃/min的速率加热至300~320℃,并保温2~5h;然后继续以5℃/min的速率加热至900~1000℃,保温2~5h;所述含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体的密度为0.7~0.9g/cm3
优选地,步骤(5)中,所述CVI沉积热解碳的工艺参数为:天然气作为先驱体,沉积温度为990~1020℃,沉积时间为200~400h;所述高温热处理的温度为1500~1800℃,处理时间为2~5h;所述低密度碳/碳复合材料的密度为1.25~1.65g/cm3
优选地,步骤(6)中,所述反应熔体为硅、铁-硅合金或铝-硅合金中的一种;所述高温为1300~1900℃,维持高温时间为0.5~4h;所述高真空的压强为30~50Pa。
基于相同的技术构思,本发明还提供一种由上述方法制备得到的碳陶刹车构件。
本发明的有益效果为:
1、本发明所述的碳陶刹车构件的制备方法,通过有机前驱体溶液对三维针刺碳纤维预制体进行浸渍、裂解,利用化学气相渗透CVI沉积热解碳,最后通过反应熔体浸渗处理获得碳陶刹车材料,解决了CVI结合RMI工艺制备的三维针刺碳陶刹车材料中陶瓷相分布严重不均引起摩擦磨损性能不稳定的问题。
2、本发明所述的碳陶刹车构件的制备方法,通过聚甲基硅烷、聚碳硅烷或聚氮硅烷陶瓷有机前躯体浸渗、裂解引入的纳米尺度陶瓷相,能改善材料的摩擦性能,降低材料的磨损率,提高使用寿命。
3、本发明所述的碳陶刹车构件的制备方法,在RMI工艺前完成主要加工,大大降低加工难度和加工成本。因为低密度碳/碳复合材料硬度低、易加工、可采用常规刀具进行车、铣、钻;而RMI工艺后,材料硬度高,只能通过金刚石刀具进行磨削加工。
4、本发明所述的碳陶刹车构件的制备方法,总体而言工艺简单、可重复性好,适于工业化批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是为CVI结合RMI工艺制备得到的三维针刺碳陶刹车材料中无纬布层纤维束区域的电镜图;
图2为本发明实施例3所得的三维针刺碳陶刹车材料中无纬布层纤维束区域的电镜图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种碳陶刹车构件的制备方法,包括如下步骤:
(1)将聚甲基硅烷与二甲苯按重量比为7:3在球磨罐中密封混合,同时充入惰性气体氮气,球磨搅拌混合30min,得聚甲基硅烷溶液;
(2)依次将“0°无纬布”、“胎网”、“90°无纬布”、“胎网”循环层叠并采用针刺技术缝合,其中胎网与无纬布的总层数的体积比为1:3,针刺密度为30针/cm2,完成后得密度为0.55g/cm3三维针刺碳纤维预制体;
(3)将步骤(2)所得三维针刺碳纤维预制体在真空条件下于2200℃保温处理2h,完成后完全浸渍于步骤(1)所得的聚甲基硅烷溶液中30min,同时保持浸渍过程中气压为800Pa,完成后取出得三维针刺碳纤维浸渍体;
(4)将步骤(3)所得三维针刺碳纤维浸渍体梯度升温至1000℃进行裂解,升温过程为:从室温以5℃/min的速率加热至320℃,并保温3h;然后继续以5℃/min的速率加热升温至1000℃,再保温3h,获得密度为0.9g/cm3含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体;
(5)将步骤(4)所得含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体通过CVI沉积热解碳得到碳/碳复合材料,其中CVI沉积热解碳的工艺参数为:天然气作为先驱体,沉积温度为1005℃,沉积时间为250h;完成后再于1800℃条件下真空热处理3h,即得密度为1.25g/cm3的低密度碳/碳复合材料;
(6)将步骤(5)所得的低密度碳/碳复合材料按照刹车材料构件图纸进行加工,除摩擦面厚度方向单面预留0.3mm的余量外,其余尺寸均加工到零件的图纸尺寸,获得碳/碳预制件;
(7)将步骤(6)所得碳/碳预制件在高温真空炉中进行反应熔体浸渗复合材料在高温高真空条件下进行反应熔体浸渗处理,其中反应熔体为硅,反应温度为1900℃,保温时间为0.5h,炉内压强为50Pa,完成后冷却至室温,再按图纸尺寸和公差进行磨削加工,最终获得碳陶刹车构件。
实施例2
本实施例提供一种碳陶刹车构件的制备方法,包括如下步骤:
(1)将聚碳硅烷与二甲苯按重量比为3:7在球磨罐中密封混合,同时充入惰性气体氩气,球磨搅拌混合10min,得聚碳硅烷溶液;
(2)依次将“0°无纬布”、“胎网”、“90°无纬布”、“胎网”循环层叠并采用针刺技术缝合,其中胎网与无纬布的总层数的体积比为1:1,针刺密度为25针/cm2,完成后得密度为0.35g/cm3三维针刺碳纤维预制体;
(3)将步骤(2)所得三维针刺碳纤维预制体在真空条件下于1200℃保温处理5h,完成后完全浸渍于步骤(1)所得的聚碳硅烷溶液中20min,同时保持浸渍过程中气压为900Pa,完成后取出得三维针刺碳纤维浸渍体;
(4)将步骤(3)所得三维针刺碳纤维浸渍体梯度升温至900℃进行裂解,升温过程为:从室温以5℃/min的速率加热至300℃,并保温5h;然后继续以5℃/min的速率加热升温至900℃,再保温5h,获得密度为0.7g/cm3含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体;
(5)将步骤(4)所得含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体通过CVI沉积热解碳得到碳/碳复合材料,其中CVI沉积热解碳的工艺参数为:天然气作为先驱体,沉积温度为1000℃,沉积时间为300h;完成后再于1500℃条件下真空热处理5h,即得密度为1.65g/cm3的低密度碳/碳复合材料;
(6)将步骤(5)所得的低密度碳/碳复合材料按照刹车材料构件图纸进行加工,除摩擦面厚度方向单面预留0.3mm的余量外,其余尺寸均加工到零件的图纸尺寸,获得碳/碳预制件;
(7)将步骤(6)所得碳/碳预制件在高温真空炉中进行反应熔体浸渗复合材料在高温高真空条件下进行反应熔体浸渗处理,其中反应熔体为铁硅合金,反应温度为1550℃,保温时间为2h,炉内压强为30Pa,完成后冷却至室温,再按图纸尺寸和公差进行磨削加工,最终获得碳陶刹车构件。
实施例3
本实施例提供一种碳陶刹车构件的制备方法,包括如下步骤:
(1)将聚氮硅烷与二甲苯按重量比为5:5在球磨罐中密封混合,同时充入惰性气体氮气,球磨搅拌混合30min,得聚氮硅烷溶液;
(2)依次将“0°无纬布”、“胎网”、“90°无纬布”、“胎网”循环层叠并采用针刺技术缝合,其中胎网与无纬布的总层数的体积比为1:4,针刺密度为25针/cm2,完成后得密度为0.6g/cm3三维针刺碳纤维预制体;
(3)将步骤(2)所得三维针刺碳纤维预制体在真空条件下于2000℃保温处理2h,完成后完全浸渍于步骤(1)所得的聚氮硅烷溶液中10min,同时保持浸渍过程中气压为700Pa,完成后取出得三维针刺碳纤维浸渍体;
(4)将步骤(3)所得三维针刺碳纤维浸渍体梯度升温至1000℃进行裂解,升温过程为:从室温以5℃/min的速率加热至320℃,并保温2h;然后继续以5℃/min的速率加热升温至1000℃,再保温2h,获得密度为0.9g/cm3含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体;
(5)将步骤(4)所得含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体通过CVI沉积热解碳得到碳/碳复合材料,其中CVI沉积热解碳的工艺参数为:天然气作为先驱体,沉积温度为1020℃,沉积时间为200h;完成后再于1700℃条件下真空热处理5h,即得密度为1.55g/cm3的低密度碳/碳复合材料;
(6)将步骤(5)所得的低密度碳/碳复合材料按照刹车材料构件图纸进行加工,除摩擦面厚度方向单面预留0.3mm的余量外,其余尺寸均加工到零件的图纸尺寸,获得碳/碳预制件;
(7)将步骤(6)所得碳/碳预制件在高温真空炉中进行反应熔体浸渗复合材料在高温高真空条件下进行反应熔体浸渗处理,其中反应熔体为铝硅合金,反应温度为1300℃,保温时间为4h,炉内压强为50Pa,完成后冷却至室温,再按图纸尺寸和公差进行磨削加工,最终获得碳陶刹车构件。
为了表明本发明所述的碳陶刹车构件材料的性能,选取实施例3所得的碳陶刹车构件材料,与传统的通过CVI结合RMI工艺制备得到的刹车构件材料进行对比,具体如下:
(一)、对比刹车构件材料中陶瓷相的分布情况。
图1为CVI结合RMI工艺制备得到的三维针刺碳陶刹车材料中无纬布层纤维束区域的电镜图,图2为本发明实施例3所得的三维针刺碳陶刹车材料中无纬布层纤维束区域的电镜图。
由图1可明显看出:纤维束内完全是碳纤维和热解碳相组成,无陶瓷相;由图2可明显看出:纤维束内由碳纤维、热解碳和陶瓷相(电镜图中的白色区域)组成,且陶瓷相分布均匀。
(二)、对比刹车构件材料的机械力学性能,对比结果如表1所示。
表1机械力学性能对比
Figure BDA0002254994850000081
Figure BDA0002254994850000091
结果:本技术制备的三维针刺碳陶刹车材料的力学性能、摩擦磨损性能优于CVI结合RMI工艺制备的三维针刺碳陶刹车材料,尤其是磨损率远低于CVI结合RMI工艺制备材料,使用寿命大大提高。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种碳陶刹车构件的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将有机前驱体与二甲苯在惰性气氛条件下进行混合,得有机前驱体溶液;
(2)依次将“0°无纬布”、“胎网”、“90°无纬布”、“胎网”循环层叠并通过针刺技术缝合,得三维针刺碳纤维预制体;
(3)将步骤(2)所得三维针刺碳纤维预制体进行热处理,完成后完全浸渍于步骤(1)所得的有机前驱体溶液中,取出得三维针刺碳纤维浸渍体;
(4)将步骤(3)所得三维针刺碳纤维浸渍体梯度升温至900~1000℃进行裂解,完成后得含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体;
(5)将步骤(4)所得含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体通过CVI沉积热解碳得到碳/碳复合材料,再进行真空高温热处理,即得低密度碳/碳复合材料;
(6)将步骤(5)所得低密度碳/碳复合材料在高温高真空条件下进行反应熔体浸渗处理,完成后冷却至室温,即得碳陶刹车构件。
2.根据权利要求1所述的碳陶刹车构件的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述有机前驱体与二甲苯的重量比为3~7:7~3;所述有机前驱体为聚甲基硅烷、聚碳硅烷或聚氮硅烷中的一种;所述惰性气氛为氮气气氛或氩气气氛;所述混合时间为10~30min。
3.根据权利要求1所述的碳陶刹车构件的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述胎网与无纬布的总层数的体积比为1:1~4。
4.根据权利要求1所述的碳陶刹车构件的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述针刺的密度为25~30针/cm2;所述三维针刺碳纤维预制体的密度为0.35~0.6g/cm3
5.根据权利要求1所述的碳陶刹车构件的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述热处理的温度为1200~2200℃,所述热处理的时间为1~5h,所述热处理在真空条件或氩气气氛中进行。
6.根据权利要求1所述的碳陶刹车构件的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述浸渍的时间为10~30min,浸渍所处的环境压强低于1000Pa。
7.根据权利要求1所述的碳陶刹车构件的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,所述梯度升温的方式为:从室温以5℃/min的速率加热至300~320℃,并保温2~5h;然后继续以5℃/min的速率加热至900~1000℃,保温2~5h;所述含有裂解SiC陶瓷的三维碳针刺纤维预制体的密度为0.7~0.9g/cm3
8.根据权利要求1所述的碳陶刹车构件的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述CVI沉积热解碳的工艺参数为:天然气作为先驱体,沉积温度为990~1020℃,沉积时间为200~400h;所述高温热处理的温度为1500~1800℃,处理时间为2~5h;所述低密度碳/碳复合材料的密度为1.25~1.65g/cm3
9.根据权利要求1所述的碳陶刹车构件的制备方法,其特征在于,步骤(6)中,所述反应熔体为硅、铁-硅合金或铝-硅合金中的一种;所述高温为1300~1900℃,维持高温时间为0.5~4h;所述高真空的压强为30~50Pa。
10.权利要求1~9所述的任一方法制备得到的碳陶刹车构件。
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