CN111960860B - 一种C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层制备方法 - Google Patents
一种C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种C/C‑SiC刹车材料表面耐磨Si‑SiC涂层制备方法,特征包括:1)浆料的制备;2)在C/C刹车材料表面涂刷浆料;3)C/C刹车材料表面耐磨Si‑SiC涂层预制体的热处理;4)C/C刹车材料表面耐磨Si‑SiC涂层素胚的渗Si处理。本发明工艺简单,原材料成本低,浆料涂覆工艺操作简便,设备要求低,可以实现批量生产。SiC作为硬质颗粒,莫氏硬度的等级达到了10,使得Si‑SiC涂层十分的耐磨,与传统刹车材料相比具有更低的线磨损率,使用寿命增加。
Description
技术领域
本发明属于碳陶摩擦材料领域,涉及一种C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层制备方法。
背景技术
继树脂基摩擦材料、金属基摩擦材料和C/C刹车材料之后,C/C-SiC复合材料由于其优异的力学性能、摩擦磨损性能、热物理性能以及抗氧化性能等优点而被广泛应用于飞机、高档轿车。并且在高铁,工程机械领域也有广泛的应用前景。
制备C/C-SiC刹车材料的方法有化学气相沉积法(CVI)、前驱体浸渍(PIP)和反应熔体渗透(RMI)。RMI相比于PIP工艺制备周期短,成本低等优点。CVI结合RMI法是目前商业化生产高性能C/C-SiC刹车盘最具竞争力的工艺。
降低制造成本,延长使用寿命是目前C/C-SiC刹车盘研究的热点。有多种解决途径,一种是采用更廉价的合金粉代替Si粉,如Fe-Si合金,或通过设计碳纤维预制体结构,减少碳纤维用量,降低原材料成本。另一种是耐磨涂层的制备,在刹车材料上,采用CVD的方法制备出SiC涂层、SiC/石墨涂层;采用溶胶凝胶制备出SiC涂层、Ni改性SiC涂层和SiC纳米线增韧SiC涂层;采用RMI技术,对表面含有一层C粉和Si粉的短纤维C/C预制体进行渗Si,使C/C-SiC刹车材料表面得到SiC涂层。
采用CVD的方法虽然可以达到延长使用寿命的要求,但成本高,周期长,摩擦性能不稳定。目前,RMI工艺制备的SiC涂层是在短纤维树脂预浸料模压-裂解制备的二维C/C材料上实现的,其表层的C粉和Si粉层是在模压-裂解过程中原位形成的,该方法难以在挪用到CVI结合RMI工艺制备的C/C-SiC刹车材料上。在CVI结合RMI工艺制备的C/C-SiC刹车材料,还没有经济实惠,工艺简单,行之有效的表面耐磨Si-SiC涂层制备方法。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层制备方法,采用浆料涂刷法结合RMI工艺在C/C-SiC刹车材料表面制备耐磨Si-SiC涂层,该方法工艺简单,设备要求不高,可实施性好,可以实现批量生产,并且在涂层摩损殆尽后,可以再次制备耐磨Si-SiC涂层,达到二次利用。
技术方案
一种C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层制备方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、浆料的制备:按照组分质量分数为5~20wt.%的C粉;10%~30wt.%的SiC粉;PVA溶液;40~60wt.%的H2O;混合后放入球磨罐中球磨24~48h得到浆料;所述各组分的质量百分比之和为100%;
步骤2、C/C复合材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的制备:在C/C刹车材料表面多次涂刷浆料,每次涂刷后放入烘箱在60-80℃烘干;在C/C复合材料表面获得厚度为0.5~1.5mm的耐磨Si-SiC涂层预制体;
步骤3、C/C复合材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的热处理:将步骤2的表面处理后具有耐磨Si-SiC涂层预制体的C/C复合材料在Ar气氛加热升温,热处理温度为160~300℃,保温30~90min,得到C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层的素胚;
步骤4、C/C复合材料表面耐磨Si-SiC涂层素胚渗Si处理:将步骤3的素胚在高温真空炉中进行渗Si处理,反应温度为1420~1600℃,保温时间为30~90min,随炉冷却至室温,在C/C-SiC刹车材料表面获得耐磨Si-SiC涂层。
所述PVA溶液由质量比为1︰4~19的聚乙烯醇和水,在60-80℃下加热搅拌,得到PVA溶液。
所述C/C复合材料选取密度为1.2~1.6g/cm3的C/C。
所述步骤2的涂刷次数为10~30次。
有益效果
本发明提出的一种C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层制备方法,特征包括:1)浆料的制备;2)在C/C刹车材料表面涂刷浆料;3)C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的热处理;4)C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层素胚的渗Si处理。本发明工艺简单,原材料成本低,浆料涂覆工艺操作简便,设备要求低,可以实现批量生产。SiC作为硬质颗粒,莫氏硬度的等级达到了10,使得Si-SiC涂层十分的耐磨,与传统刹车材料相比具有更低的线磨损率,使用寿命增加。
附图说明
图1是C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层的制备工艺流程图
图2是本发明实施例1中C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层截面SEM图
图3是本发明实施例1中C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层与三维针刺C/C-SiC摩擦材料的线磨损对比
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
实施例1:
本实施例是一种C/C-SiC刹车材料表面改性耐磨Si-SiC涂层的制备方法,具体过程是:
步骤1,C纤维预制体的制备:
首先将PAN基T-300(6-50K)碳纤维制成短纤维胎网和无纬布,然后将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加铺层,再利用针刺技术,使无纬布和胎网成为一体。根据需要的厚度,经过反复叠层、针刺、叠层、针刺……,得到三维针刺碳纤维预制体。预制体密度约为0.55g/cm3,胎网层密度约为0.2g/cm3,无纬布层密度约为0.6g/cm3,碳纤维的体积含量约为40%,层密度约为14层/10mm。
步骤2,C/C复合材料的制备:
以天然气作为先驱体,在三维针刺C纤维预制体内沉积PyC,沉积温度为1030℃,沉积时间为500h,制备出密度为1.6g/cm3的C/C复合材料。将沉积得到的C/C复合材料进行真空高温热处理,处理温度为2000℃,保温1h。对制得的C/C复合材料进行机加工,制成所需成品的形状、尺寸。
步骤3,C/C复合材料清洗:
将按步骤1,步骤2制备的C/C复合材料置于超声清洗机中加水超声清洗30min,然后置于150℃烘箱中烘干。
步骤4,用于涂刷耐磨Si-SiC涂层的浆料制备:
表1制备C/C-SiC刹车材料表面改性耐磨Si-SiC涂层浆料的成分及配比
将上述成分混合,放入球磨罐中,球磨24h。
步骤5.C/C复合材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的制备:
用刷子蘸取所制备的浆料,在C/C刹车材料表面进行20次涂刷,每次涂刷后放入烘箱在60℃烘干10min,再继续涂刷。在C/C复合材料表面获得厚度为1mm的耐磨Si-SiC涂层预制体。
步骤6,C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的热处理:
将C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体在Ar气气氛中加热升温,热处理温度为200℃,保温时间为60min,得到C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层的素胚。
步骤7,C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层素胚的渗Si处理:
将步骤6所得耐磨Si-SiC涂层素胚在真空条件下,通过反应熔体浸渗工艺在C/C-SiC刹车材料表面制备一层耐磨Si-SiC涂层。反应熔体为Si相,保持炉内压力低于50Pa,升温至1500℃,保温60min,随炉冷却至室温,得到C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层。
C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层的截面如图2所示,涂层材料由Si和SiC两部分组成。材料可分为四层:C/SiC基体层、SiC反应层、Si带和Si-SiC涂层。摩擦性能如图3所示,含有耐磨Si-SiC涂层的刹车盘线磨损率明显降低。在5m/s~20m/s转速下,线磨损率均未超过0.2μm/cycle。其中,在20m/s时,相比于传统刹车材料,线磨损率降低了83%。
实施例2:
本实施例是一种C/C-SiC刹车材料表面改性耐磨Si-SiC涂层的制备方法,具体过程是:
步骤1,C纤维预制体的制备:
首先将PAN基T-300(6-50K)碳纤维制成短纤维胎网和无纬布,然后将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加铺层,再利用针刺技术,使无纬布和胎网成为一体。根据需要的厚度,经过反复叠层、针刺、叠层、针刺……,得到三维针刺碳纤维预制体。预制体密度约为0.55g/cm3,胎网层密度约为0.2g/cm3,无纬布层密度约为0.6g/cm3,碳纤维的体积含量约为40%,层密度约为14层/10mm。
步骤2,C/C复合材料的制备:
以丙烯作为先驱体,在三维针刺C纤维预制体内沉积PyC,沉积温度为930℃,沉积时间为300h,制备出密度为1.35g/cm3的C/C复合材料。将沉积得到的C/C复合材料进行真空高温热处理,处理温度为2000℃,保温1h。对制得的C/C复合材料进行机加工,制成所需成品的形状、尺寸。
步骤3,C/C复合材料清洗:
将按步骤1,步骤2制备的C/C复合材料置于超声清洗机中加水超声清洗30min,然后置于150℃烘箱中烘干。
步骤4,用于涂刷耐磨Si-SiC涂层的浆料制备:
表2制备C/C-SiC刹车材料表面改性耐磨Si-SiC涂层浆料的成分及配比
按照表1成分混合,放入球磨罐中,球磨24h。
步骤5.C/C复合材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的制备:
用刷子蘸取所制备的浆料,在C/C刹车材料表面进行20次涂刷,每次涂刷后放入烘箱在60℃烘干10min,再继续涂刷。在C/C复合材料表面获得厚度为1mm的耐磨Si-SiC涂层预制体。
步骤6,C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的热处理:
将C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体在Ar气气氛中加热升温,热处理温度为200℃,保温时间为60min,得到C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层的素胚。
步骤7,C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层素胚的渗Si处理:
将步骤6所得耐磨Si-SiC涂层素胚在真空条件下,通过反应熔体浸渗工艺在C/C-SiC刹车材料表面制备一层耐磨Si-SiC涂层。反应熔体为Si相,保持炉内压力低于50Pa,升温至1500℃,保温60min,随炉冷却至室温,得到C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层。
C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层的截面形貌与实施例1类似,线磨损率与传统C/C-SiC材料相比,减少约80%,提高了材料的使用寿命。
实施例3:
本实施例是一种C/C-SiC刹车材料表面改性耐磨Si-SiC涂层的制备方法,具体过程是:
步骤1,C纤维预制体的制备:
首先将PAN基T-300(6-50K)碳纤维制成短纤维胎网和无纬布,然后将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加铺层,再利用针刺技术,使无纬布和胎网成为一体。根据需要的厚度,经过反复叠层、针刺、叠层、针刺……,得到三维针刺碳纤维预制体。预制体密度约为0.55g/cm3,胎网层密度约为0.2g/cm3,无纬布层密度约为0.6g/cm3,碳纤维的体积含量约为40%,层密度约为14层/10mm。
步骤2,C/C复合材料的制备:
以天然气作为先驱体,在三维针刺C纤维预制体内沉积PyC,沉积温度为1030℃,沉积时间为500h,制备出密度为1.6g/cm3的C/C复合材料。将沉积得到的C/C复合材料进行真空高温热处理,处理温度为2000℃,保温1h。对制得的C/C复合材料进行机加工,制成所需成品的形状、尺寸。
步骤3,C/C复合材料清洗:
将按步骤1,步骤2制备的C/C复合材料置于超声清洗机中加水超声清洗30min,然后置于150℃烘箱中烘干。
步骤4,用于涂刷耐磨Si-SiC涂层的浆料制备:
表3制备C/C-SiC刹车材料表面改性耐磨Si-SiC涂层浆料的成分及配比
将上述成分混合,放入球磨罐中,球磨24h。
步骤5.C/C复合材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的制备:
用刷子蘸取所制备的浆料,在C/C刹车材料表面进行20次涂刷,每次涂刷后放入烘箱在60℃烘干10min,再继续涂刷。在C/C复合材料表面获得厚度为1mm的耐磨Si-SiC涂层预制体。
步骤6,C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的热处理:
将C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体在Ar气气氛中加热升温,热处理温度为200℃,保温时间为60min,得到C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层的素胚。
步骤7,C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层素胚的渗Si处理:
将步骤6所得耐磨Si-SiC涂层素胚在真空条件下,通过反应熔体浸渗工艺在C/C-SiC刹车材料表面制备一层耐磨Si-SiC涂层。反应熔体为Si相,保持炉内压力低于50Pa,升温至1600℃,保温120min,随炉冷却至室温,得到C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层。
C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层的截面形貌与实施例1类似。
Claims (3)
1.一种C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层制备方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、浆料的制备:按照组分质量分数为5~20wt.%的C粉;10%~30wt.%的SiC粉;PVA溶液;40~60wt.%的H2O;混合后放入球磨罐中球磨24~48h得到浆料;所述各组分的质量百分比之和为100%;所述PVA溶液由质量比为1︰4~19的聚乙烯醇和水,在60-80℃下加热搅拌得到;
步骤2、C/C复合材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的制备:在C/C刹车材料表面多次涂刷浆料,每次涂刷后放入烘箱在60-80℃烘干;在C/C复合材料表面获得厚度为0.5~1.5mm的耐磨Si-SiC涂层预制体;
步骤3、C/C复合材料表面耐磨Si-SiC涂层预制体的热处理:将步骤2的表面处理后具有耐磨Si-SiC涂层预制体的C/C复合材料在Ar气氛加热升温,热处理温度为160~300℃,保温30~90min,得到C/C刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层的素胚;
步骤4、C/C复合材料表面耐磨Si-SiC涂层素胚渗Si处理:将步骤3的素胚在高温真空炉中进行渗Si处理,反应温度为1420~1600℃,保温时间为30~90min,随炉冷却至室温,在C/C-SiC刹车材料表面获得耐磨Si-SiC涂层;所述渗Si处理采用反应熔体浸渗工艺。
2.根据权利要求1所述C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层制备方法,其特征在于:所述C/C复合材料的密度为1.2~1.6g/cm3。
3.根据权利要求1所述C/C-SiC刹车材料表面耐磨Si-SiC涂层制备方法,其特征在于:所述步骤2的涂刷次数为10~30次。
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