CN112047750B - 一种复合结构摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合结构摩擦材料及其制备方法。本发明之复合结构摩擦材料，包括至少一个内部层组和至少一个外部层组，近摩擦面的部分为外部层组，远摩擦面的部分为内部层组，内部层组为碳纤维平直形连续增强结构层组，外部层组为碳纤维波纹形连续增强摩擦层组；内部层组和外部层组之间通过针刺碳纤维相连接。本发明还包括所述复合结构摩擦材料的制备方法。本发明所制备的摩擦材料采用内部层组为平直连续碳纤维增强结构、外部层组为梯度变化的连续波纹形碳纤维增强的结构，主承载作用和主摩擦作用的材料采用不同的结构，可同时保证摩擦材料优良的综合性能和摩擦性能。

Description

一种复合结构摩擦材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及C/C-SiC摩擦材料技术领域，具体涉及一种复合结构的C/C-SiC摩擦材料及其制备方法。
背景技术
C/C-SiC摩擦材料相对于传统的金属和半金属摩擦材料，具有密度低、耐腐蚀性能好、摩擦系数稳定、耐磨损性能好等优点，是21世纪最具发展潜力的摩擦材料，其在飞机、赛车、重型机车、高速列车等刹车领域具有良好的应用前景。
根据增强碳纤维的长度不同，C/C-SiC摩擦材料一般分短纤增强和长纤增强两种，短纤C/C-SiC摩擦材料主要是将短碳纤维、石墨粉、酚醛树脂等原料混合后，经过模压固化、高温裂解，再渗硅处理得到。短纤C/C-SiC摩擦材料增强相为短碳纤维，制作过程中有诸多弊端：(1)短碳纤维难以分散均匀，导致制备的C/C-SiC摩擦材料存在成分不均匀的问题；(2)短纤C/C-SiC摩擦材料通过模压固化工艺制作，高温裂解后形成的裂解碳存在于碳纤维缝隙中，并未对碳纤维形成完整包裹，使得渗硅工艺中熔融硅易侵蚀碳纤维而导致摩擦材料力学性能降低；(3)短纤C/C-SiC摩擦材料碳纤维的体积百分含量较低，力学性能较低；(4)短纤C/C-SiC摩擦材料中碳纤维呈不连续状态，导热性能较低。因此，短纤C/C-SiC摩擦材料制作的刹车盘强度较低，力学性能不足，导热性能低，刹车过程中摩擦性能不稳定，且容易出现掉块的现象，综合性能不及长纤C/C-SiC摩擦材料。长纤C/C-SiC摩擦材料一般是通过无纬布、网胎反复叠层、三维针刺形成预制体，再通过CVI(化学气相渗透，一种常用的化学气相沉积法)工艺进行碳增密，最后熔融渗硅得到。长纤C/C-SiC摩擦材料增强相为长碳纤维，与短纤C/C-SiC摩擦材料相比，连续而密集的长碳纤维使C/C-SiC摩擦材料具有更高的强度和导热系数。通常长纤C/C-SiC摩擦材料为片层状结构，平面无纬布和平面网胎在Z轴方向(厚度方向)通过针刺结合在一起，由于针刺密度有限，片层状结构的长纤C/C-SiC摩擦材料层间剪切强度及Z向(厚度方向)导热能力相对较差。用片层状结构长纤C/C-SiC摩擦材料制备的刹车盘摩擦面在Z向(厚度方向)为无纬布和网胎交替结构，在摩擦磨损的进程中，摩擦面有时主要为无纬布结构，有时主要为网胎结构，使得摩擦过程中摩擦系数不稳定。
CN103009497A提出了一种波纹碳纤维预制体的制备方法和包含它的碳-碳复合材料，所采取的方法是在液体载体(如水、醇、熔融沥青)中混合碳纤维并沉积形成碳纤维层，后通过压槽、折皱或折叠的方式形成波纹状碳纤维层。波纹状碳纤维能有效改善层间剪切性能和Z向(厚度方向)导热性，但由于其所采用的是短碳纤维，制作摩擦材料时碳纤维含量低，力学性能和导热性能较差，并不适宜于制作刹车材料。
CN110345183A提出了一种“三明治”结构的C/C-SiC摩擦材料，摩擦材料由外层摩擦功能层和内层结构功能层组成。外层的摩擦功能层由纯网胎网结构成，虽然解决了成分不均引起的摩擦系数不稳定的问题，但是由于摩擦功能层和结构功能层结构差异较大，热膨胀系数差异大，界面结合力弱，升温和降温过程中均有可能引起材料的开裂和脱层，制作刹车片时结构稳定性差。同时摩擦层主要为纯网胎结构，实质上主摩擦作用的材料仍然属于短纤维增强的C/C-SiC摩擦材料，其力学性能和导热性能均较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，尤其是克服现有技术的摩擦材料力学性能、导热性能、层间剪切性能较差的不足，提供一种导热性能、层间剪切性能、综合性能较好的复合结构摩擦材料。
本发明要解决的另一个技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种导热性能、层间剪切性能、综合性能较好的复合结构摩擦材料的制备方法。
本发明中，短碳纤维也称作短切碳纤维；长碳纤维也称作长纤维或连续纤维。
本发明中，预氧丝也叫预氧化纤维，是制备碳纤维过程中的重要中间产品，成本较碳纤维低。
本发明中，无纬布由原材料长预氧丝制得，网胎由原材料短切预氧丝制得。
预氧丝可采用碳纤维代替。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，
本发明之复合结构摩擦材料，包括至少一个内部层组和至少一个外部层组，近摩擦面的部分为外部层组，远摩擦面的部分为内部层组，内部层组为碳纤维平直形连续增强结构层组，外部层组为碳纤维波纹形连续增强摩擦层组；内部层组和外部层组之间通过针刺碳纤维相连接。
本发明之复合结构摩擦材料，内部层组为结构层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后、压实针刺形成的三维针刺立体结构；外部层组为摩擦层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后、于蓬松状态下加大针刺深度制得的形变量梯度分布的连续波纹形立体结构。
外部层组网胎厚度比内部层组网胎厚度厚。由内向外，碳纤维波纹形形变量逐渐增大，整体结构为由平面形向波纹形梯度变化的三维立体结构。外部层组针刺方向均由外向内针刺。作为摩擦材料，外部层组的摩擦面内同时包含波纹形无纬布材料与波纹形网胎材料，同一摩擦面上波纹形无纬布材料的体积比为20～80vol％(优选30-70vol％)。
本发明之复合结构摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备结构层组针刺预制体：按照0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的顺序依次循环铺层，采用针刺机进样滚轮压实后针刺，形成平面形预氧丝针刺预制体，作为结构层预制体。
进一步，针刺深度为6～15mm。网胎厚度为0.15-0.50mm。
无纬布铺层时，按0°/90°/0°/90°的方向正交铺层，两层无纬布之间为网胎。
(2)制备复合结构针刺预制体：将步骤(1)所得平面形预氧丝针刺预制体铺于底部，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序循环铺层，不压实，于蓬松状态下进行针刺，使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状立体结构，即完成单边针刺，得到内部层组为预氧丝平直形连续增强结构层组、外部层组为预氧丝波纹形连续增强摩擦层组的复合结构针刺预制体。
进一步，针刺深度15～25mm，网胎厚度0.50-1.00mm。
进一步，完成单边针刺后，将整体针刺结构翻面，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序在另一边循环铺层，不压实，于蓬松状态下进行针刺，使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状立体结构，即完成双边针刺，得到内部层组为预氧丝平直形连续增强结构层组、两个外部层组为预氧丝波纹形连续增强摩擦层组的复合结构针刺预制体。
进一步，针刺深度15～25mm，网胎厚度0.50-1.00mm。
针刺过程中，表面和里层部分预氧丝被刺针倒钩带入，强迫刺入铺层结构内部，针刺预氧丝的牵拉作用和压迫作用使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状结构。蓬松铺层结构以及较厚的网胎层使得针刺前结构更具有柔性特征，使得针刺过程中波纹形形变更为容易。
外部层组为摩擦层组，与内部层组结构层组相比，网胎层厚度更厚，针刺前整体结构更加蓬松，较厚的网胎和更蓬松的铺层结构更有利于针刺过程中无纬布和网胎产生形变，形成预氧丝波纹形连续增强的摩擦功能层预制体结构。
(3)炭化处理：将步骤(2)所得复合结构针刺预制体置于炭化炉中，于N2或惰性气体保护气氛下进行炭化处理，炭化处理后，预氧丝转变为碳纤维，同时去除预氧丝因针刺变形而产生的内应力，得到内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的炭化后的复合结构预制体。
若原材料为碳纤维，则无需进行炭化处理。
进一步，炭化处理为现有技术，其一般的升温工艺为：以30℃/h-35℃/h的升温速率由室温升至300℃，以5℃/h-10℃/h的升温速率由300℃升至700℃，以20℃/h-30℃/h的升温速率由700℃升至1000-1200℃，并于1000-1200℃下保温2-4h，后冷却至室温。
(4)化学气相渗透(CVI)致密：将步骤(3)所得炭化后的复合结构预制体放入待沉积环境〔优选化学气相渗透(CVI)沉积炉〕中，通入碳源气体和载气，采用化学气相渗透工艺沉碳增密，得到内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C多孔体；
所采用碳源气体为烃类气体，如甲烷、丙烷、丙烯、天然气中的至少一种。
所采用载气优选为H2。
碳源气体与载气的体积比优选为1:1-3；更优选1:2。
(5)高温处理：将步骤(4)所得复合结构C/C多孔体置于高温炉中进行石墨化处理，处理温度1800-2300℃，保温时间8-12小时，得到内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的石墨化后的复合结构C/C多孔体。
(6)液相渗硅：将步骤(5)所得石墨化后的复合结构C/C多孔体埋入装有硅粉的坩埚中，放入渗硅炉中进行熔融渗硅处理，处理温度：1300-1800℃，保温时间30-60min；得内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C-SiC摩擦材料，即为C/C-SiC摩擦材料。
熔融渗硅过程中，熔融硅通过毛细作用渗入毛坯材料的孔隙中，并与孔隙壁的炭材发生反应，生成内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C-SiC摩擦材料。
本发明制备C/C-SiC摩擦材料的纤维有碳纤维和预氧丝，碳纤维价格昂贵，预氧丝是制备碳纤维过程中的重要中间产品，成本较碳纤维价格低。将预氧丝代替碳纤维来制备C/C-SiC摩擦材料，可简化工艺，降低成本。且预氧丝的柔韧性好，断裂伸长率远大于碳纤维，预氧丝用来制备三维针刺预制体时不容易断丝，Z向(厚度方向)纤维引入长度远大于碳纤维，适合用作针刺深度较深、厚度较厚的构件。
本发明提供一种复合结构的C/C-SiC摩擦材料及其制备方法，采用内部层组为平直连续碳纤维结构、外部层组为形变量梯度变化的连续波纹形碳纤维结构的三层复合结构，内部层组平直连续碳纤维结构主承载作用，外部层组梯度变化的连续波纹形碳纤维结构主摩擦作用，可同时保证摩擦材料整体优良的摩擦性能和综合性能。与短纤维作为增强相的同类材料相比，具有更好的综合性能和导热性能；与长纤维平铺增强的同类材料相比，具有层间剪切性能更高和摩擦性能更稳定的优点。
本发明之复合结构的C/C-SiC摩擦材料，内部层组为结构层组，由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后压实针刺形成；外部层组为摩擦层组，由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后于蓬松状态下加大针刺深度后制得，形成连续波纹形结构。外部层组的摩擦层波纹形结构由内而外波纹形形变逐渐增大，呈梯度变化，可有效减少结构差异引起的热膨胀失配问题，提高其与内部层组结构层组的结合力，避免开裂脱层，提高整体结构的稳定性。磨擦层组满足同一摩擦面同时包含无纬布材料与网胎材料，摩擦面上无纬布的占比为20～80vol％，从而可实现摩擦制动过程中，无纬布区域与网胎区域持续同时产生制动效果，能保证摩擦系数的稳定性，获得良好的制动效果。
本发明的效果或特点：
(1)本发明所制备的摩擦材料采用内部层组为平直连续碳纤维增强结构、外部层组为梯度变化的连续波纹形碳纤维增强的结构，主承载作用和主摩擦作用的材料采用不同的结构，可同时保证摩擦材料优良的综合性能和摩擦性能。
(2)外部层组摩擦层组为梯度变化的波纹形结构，能减弱连接界面处的差异性，从而减弱结构的突变对性能的不利影响，有效减少结构差异引起的热膨胀失配问题，能提高内部层组和外部层组结构的结合力，减少材料制备过程中的开裂和脱层问题，作为摩擦材料，结构稳定性增强。
(3)现有技术中，平面型碳纤维布和网胎针刺形成的三维立体结构存在层间剪切力差的问题，因为层间剪切强度主要依赖于Z向(厚度方向)的针刺纤维，Z向针刺纤维在数量及强度方面都存在一定的限制。而本发明摩擦层组无纬布与网胎呈连续波纹形结构，在层间剪切方向不仅有针刺纤维的连接作用，针刺形成的波峰波谷相互嵌合，可形成层移阻力，层间剪切强度可显著提高。
(4)摩擦层Z向(厚度方向)导热性能得到良好改善。外部层组摩擦层组中，波纹形无纬布和波纹形网胎的碳纤维朝向在Z向具有相当比例的分量，相当于显著增加了Z向碳纤维数量，与层片状立体结构相比，Z向导热性能显著提高。
(5)现有技术中，平面形无纬布和网胎针刺形成的三维立体结构，在摩擦的进程中，摩擦面有时主要为无纬布结构，有时主要为网胎结构，由于无纬布和网胎在结构和性能上存在差异，导致摩擦系数不稳定。本发明之复合结构的C/C-SiC摩擦材料，主摩擦作用的摩擦层为连续波纹形碳纤维增强结构，制成刹车盘，在摩擦磨损进程中任一摩擦面内无纬布和网胎同时参与摩擦制动，且任一摩擦面内无纬布和网胎含量变化幅度小，波动平缓，因此摩擦系数变化幅度减小，摩擦过程中摩擦性能一致性增强，能提高摩擦性能的稳定性。
(6)本发明之复合结构的C/C-SiC摩擦材料与短碳纤维相比，连续而密集的长碳纤维使C/C-SiC摩擦材料具有更高的力学性能(如强度、抗拉、抗剪)和导热系数。
(7)本发明中外部层组摩擦层组针刺方向均由外向内针刺，较深的针刺深度为CVI碳源气体提供了由外向内的导通路径，较厚的网胎也更有利于碳源气体在预制体内部扩散，可有效提高CVI沉积效率。
(8)本发明摩擦材料纤维采用碳纤维或预氧丝，预氧丝的柔韧性好，断裂伸长率远大于碳纤维，针刺深度较深时可引入较长的Z向纤维，更利于波纹形结构成形，且层间剪切强度提高，不容易分层。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例1采用本发明的方法制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料的截面图；
图2为实施例1中图1所示的复合结构的C/C-SiC摩擦材料的摩擦系数随厚度方向摩擦进程变化的示意图；
图3为现有技术常规方法制备的平面形长碳纤维C/C-SiC摩擦材料的截面图；
图4为图3所示的平面形长碳纤维C/C-SiC摩擦材料摩擦系数随厚度方向摩擦进程变化的示意图；
图5为实施例4采用本发明的方法制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料的截面图；图中：1为结构层组；2为网胎；3为摩擦面；4为0度无纬布；5为90度无纬布；6为针刺碳纤维；7、8为摩擦层组。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施案例对本发明做进一步描述。但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施案例。
实施例1
本实施例提供了一种复合结构摩擦材料及其制备方法。
本实施例所制备的复合结构摩擦材料，包括一个内部层组和二个外部层组，近摩擦面的部分为外部层组，远摩擦面的部分为内部层组，内部层组为碳纤维平直形连续增强结构层组，外部层组为碳纤维波纹形连续增强摩擦层组。内部层组和外部层组之间通过针刺碳纤维相连接。所采用碳纤维前驱体为预氧丝。
本实施例所制备的摩擦材料，内部层组为结构层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后压实针刺形成的三维针刺立体结构；外部层组为摩擦层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后、于蓬松状态下加大针刺深度制得的形变量梯度分布的连续波纹形立体结构。
外部层组为摩擦层组，网胎厚度较内部层组结构层组网胎厚度厚。由内向外，碳纤维波纹形形变量逐渐增大，整体结构为由平面形向波纹形梯度变化的三维立体结构。两个外部层组摩擦层组针刺方向均由外向内针刺。作为摩擦材料，摩擦层组摩擦面内同时包含波纹形无纬布材料与波纹形网胎材料，同一摩擦面上波纹形无纬布材料的体积比变化范围为30-70vol％。
本实施例之摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备结构层组针刺预制体：按照0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的顺序依次循环铺层，采用针刺机进样滚轮压实后针刺，形成平面形预氧丝针刺预制体，作为结构层预制体。针刺深度8mm。网胎厚度0.25mm。
(2)制备复合结构针刺预制体：将步骤(1)所得平面形预氧丝针刺预制体铺于底部，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序循环铺层，不压实，于蓬松状态下进行针刺，针刺深度20mm，网胎厚度0.8mm。
针刺过程中，表面和里层部分预氧丝被刺针倒钩带入，强迫刺入铺层结构内部，针刺预氧丝的牵拉作用和压迫作用使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状结构。蓬松铺层结构以及较厚的网胎层使得针刺前结构更具有柔性特征，使得针刺过程中波纹形形变更为容易。
完成单边针刺后，将整体针刺结构翻面，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序在另一边循环铺层，不压实，同样于蓬松状态下进行针刺，使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状立体结构，针刺深度20mm，网胎厚度0.8mm。完成双边针刺，得到内部层组为预氧丝平直形连续增强结构层组、两个外部层组为预氧丝波纹形连续增强摩擦层组的复合结构针刺预制体。
(3)炭化处理：将步骤(2)所得复合结构针刺预制体置于炭化炉中，于N2保护气氛下进行炭化处理。碳化处理的升温工艺为：以30℃/h的升温速率由室温升至300℃，以10℃/h的升温速率由300℃升至700℃，以20℃/h的升温速率由700℃升至1000℃，并于1000℃下保温4h，后冷却至室温。炭化处理后，预氧丝转化为碳纤维，同时去除了预氧丝因针刺变形而产生的内应力，得到内部层组为平直碳纤维增强结构、两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的炭化后的复合结构预制体。
(4)化学气相渗透(CVI)致密：将步骤(3)所得炭化后的复合结构预制体放入化学气相渗透(CVI)沉积炉中，通入碳源气体和载气，采用化学气相渗透工艺沉碳增密，得内部层组为平直碳纤维增强结构、两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C多孔体；
所采用碳源气体为丙烯。
所采用载气为H2。
碳源气体与载气的体积比为1:2。
(5)高温处理：将步骤(4)所得复合结构C/C多孔体置于高温炉中进行石墨化处理，处理温度2000℃，保温时间10小时，得到内部层组为平直碳纤维增强结构，两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的石墨化后的复合结构C/C多孔体。
(6)液相渗硅：将步骤(5)所得石墨化后的复合结构C/C多孔体埋入装有硅粉的坩埚中，放入渗硅炉中进行熔融渗硅处理，处理温度：1650℃，保温时间45min。得内部层组为平直碳纤维增强结构，两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C-SiC摩擦材料，即为本发明的C/C-SiC摩擦材料。
采用常规测试方法对本实施例制得的复合结构的C/C-SiC摩擦材料进行性能方面的测试，测试结果如下：摩擦层层间剪切强度为48～60MPa，抗压强度为160～190MPa，Z方向(垂直摩擦面方向)的热导率为42W/(m·K)。常规平面形长纤C/C-SiC摩擦材料层间剪切强度为17～27MPa，抗压强度为100～140MPa，Z方向(垂直摩擦面方向)的热导率为10W/(m·K)。
可见，本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与平面形长纤C/C-SiC摩擦材料相比，Z方向热导率和层间剪切强度明显增强。
对本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料和平面形长纤C/C-SiC摩擦材料在MM-1000型摩擦磨损性能试验机上进行摩擦磨损实验，实验参数：制动压力0.8MPa，转动惯量0.25kg·m2，转速7000r/min，实验次数10次，记录10次摩擦磨损实验所得摩擦系数。由于平面形长纤C/C-SiC摩擦材料摩擦面材料结构存在差异，因此摩擦面为无纬布结构时记录5次实验数据，摩擦面为网胎结构时记录5次实验数据。
本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与现有技术中平面形长纤C/C-SiC摩擦材料不同摩擦次数所测得的摩擦系数如下表所示。可见，两者平均摩擦系数分别为0.39，0.38。结合图1、图2，复合结构的C/C-SiC摩擦材料不同摩擦面上结构相近，不同摩擦次数下所测得的摩擦系数较为稳定，极差和标准方差均较小，波动范围小。而现有技术的平面形长纤C/C-SiC摩擦材料在磨擦过程中由于存在碳布和网胎两种不同的结构，前5次(摩擦面为碳布结构)和后5次(摩擦面为网胎结构)摩擦系数存在明显差异。表1为本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与现有技术中平面形长纤C/C-SiC摩擦材料不同摩擦次数所测得的摩擦系数变化。
表1
Figure BDA0002662203240000101
图2为图1所示的复合结构的C/C-SiC摩擦材料的摩擦系数随厚度方向摩擦进程变化的示意图；可见，随着厚度摩擦磨损方向的变化，摩擦系数的波动较小，因此，制成的产品在使用的过程中，摩擦系数的波动较小。
图3为现有技术常规方法制备的平面形长碳纤维C/C-SiC摩擦材料的截面图；
图4为图3所示的平面形长碳纤维C/C-SiC摩擦材料摩擦系数随厚度方向摩擦进程变化的示意图；可见，随着厚度摩擦磨损方向的变化，摩擦系数的波动较大，制成的产品在使用的过程中，摩擦系数反复波动。
实施例2
本实施例提供了另一种复合结构摩擦材料及其制备方法。
本实施例所制备的摩擦材料，包括一个内部层组和二个外部层组，近摩擦面的部分为外部层组，远摩擦面的部分为内部层组，内部层组为碳纤维平直形连续增强结构层组，两个外部层组为碳纤维波纹形连续增强摩擦层组。内部层组和外部层组之间通过针刺碳纤维相连接。所采用碳纤维前驱体为预氧丝。
本实施例所制备的摩擦材料内部层组为结构层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后压实针刺形成的三维针刺立体结构，外部层组为摩擦层组是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后、于蓬松状态下加大针刺深度制得的形变量梯度分布的连续波纹形立体结构。摩擦层组网胎厚度较结构层组网胎厚度厚。由内向外，碳纤维波纹形形变量逐渐增大，整体结构为由平面形向波纹形梯度变化的三维立体结构。两个外部层组摩擦层组针刺方向均由外向内针刺。作为摩擦材料，摩擦层组摩擦面内同时包含波纹形无纬布材料与波纹形网胎材料，同一摩擦面上波纹形无纬布材料的体积比变化范围为40-60vol％。
本发明之摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备结构层针刺预制体：按照0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的顺序依次循环铺层，采用针刺机进样滚轮压实后针刺，形成平面形预氧丝针刺预制体，作为结构层预制体。针刺深度6mm。网胎厚度0.15mm。
(2)制备复合结构针刺预制体：将步骤(1)所得平面形预氧丝针刺预制体铺于底部，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序循环铺层，不压实，于蓬松状态下进行针刺，针刺深度15mm，网胎厚度0.5mm。针刺过程中，表面和里层部分预氧丝被刺针倒钩带入，强迫刺入铺层结构内部，针刺预氧丝的牵拉作用和压迫作用使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状结构。蓬松铺层结构以及较厚的网胎层使得针刺前结构更具有柔性特征，使得针刺过程中波纹形形变更为容易。完成单边针刺后，将整体针刺结构翻面，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序在另一边循环铺层，不压实，同样于蓬松状态下进行针刺，使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状立体结构，针刺深度15mm，网胎厚度0.5mm。完成双边针刺，得到内部层组为预氧丝平直形连续增强结构层组、两个外部层组为预氧丝波纹形连续增强摩擦层组的复合结构针刺预制体。
(3)炭化处理：将步骤(2)所得复合结构针刺预制体置于炭化炉中，于氩气保护气氛下进行炭化处理。炭化处理的升温工艺为：以35℃/h的升温速率由室温升至300℃，以5℃/h的升温速率由300℃升至700℃，以20℃/h的升温速率由700℃升至1000，并于1000℃下保温2h，后冷却至室温。炭化处理后，预氧丝转变为碳纤维，同时去除了预氧丝因针刺变形而产生的内应力，得到内部层组为平直碳纤维增强结构、两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的炭化后的复合结构预制体。
(4)化学气相渗透(CVI)致密：将步骤(3)所得炭化后的复合结构预制体放入化学气相渗透(CVI)沉积炉中，通入碳源气体和载气，采用化学气相渗透工艺沉碳增密，得内部层组为平直碳纤维增强结构、两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C多孔体；
所采用碳源气体为丙烷。
所采用载气为H2。
碳源气体与载气的体积比为1:1。
(5)高温处理：将步骤(4)所得复合结构C/C多孔体置于高温炉中进行石墨化处理，处理温度1800℃，保温时间12小时。得到内部层组为平直碳纤维增强结构、两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的石墨化后的复合结构C/C多孔体。
(6)液相渗硅：将步骤(5)所得石墨化后的复合结构C/C多孔体埋入装有硅粉的坩埚中，放入渗硅炉中进行熔融渗硅处理，处理温度：1450℃，保温时间60min。得内部层组为平直碳纤维增强结构、两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C-SiC摩擦材料。采用常规测试方法对本实施例制得的复合结构的C/C-SiC摩擦材料进行性能方面的测试，测试结果如下：摩擦层层间剪切强度为49～60MPa，抗压强度为160～200MPa，Z方向(垂直摩擦面方向)的热导率为43W/(m·K)。常规平面形长纤C/C-SiC摩擦材料层间剪切强度为17～27MPa，抗压强度为100～140MPa，Z方向(垂直摩擦面方向)的热导率为10W/(m·K)。
可见，本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与平面形长纤C/C-SiC摩擦材料相比，Z方向热导率和层间剪切强度明显增强。
对本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料和平面形长纤C/C-SiC摩擦材料在MM-1000型摩擦磨损性能试验机上进行摩擦磨损实验，实验参数：制动压力0.8MPa，转动惯量0.25kg·m2，转速7000r/min，实验次数10次，记录10次摩擦磨损实验所得摩擦系数。由于平面形长纤C/C-SiC摩擦材料摩擦面材料结构存在差异，因此摩擦面为无纬布结构时记录5次实验数据，摩擦面为网胎结构时记录5次实验数据。
本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与现有技术中平面形长纤C/C-SiC摩擦材料不同摩擦次数所测得的摩擦系数如下表所示。可见，两者平均摩擦系数分别为0.39，0.38。复合结构的C/C-SiC摩擦材料不同摩擦面上结构相近，不同摩擦次数下所测得的摩擦系数较为稳定，极差和标准方差均较小，波动范围小。而现有技术的平面形长纤C/C-SiC摩擦材料在磨擦过程中由于存在碳布和网胎两种不同的结构，前5次(摩擦面为碳布结构)和后5次(摩擦面为网胎结构)摩擦系数存在明显差异。表2为本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与现有技术中平面形长纤C/C-SiC摩擦材料不同摩擦次数所测得的摩擦系数变化。
表2
Figure BDA0002662203240000131
实施例3
本实施例提供了另一种复合结构摩擦材料及其制备方法。
本实施例所制备的摩擦材料，包括一个内部层组和二个外部层组，近摩擦面的部分为外部层组，远摩擦面的部分为内部层组，内部层组为碳纤维平直形连续增强结构层组，两个外部层组为碳纤维波纹形连续增强摩擦层组。内部层组和外部层组之间通过针刺碳纤维相连接。所采用碳纤维前驱体为预氧丝。
本实施例所制备的摩擦材料内部层组为结构层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后压实针刺形成的三维针刺立体结构，外部层组为摩擦层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后于蓬松状态下加大针刺深度制得的形变量梯度分布的连续波纹形立体结构。摩擦层组网胎厚度较结构层组网胎厚度厚。由内向外，碳纤维波纹形形变量逐渐增大，整体结构为由平面形向波纹形梯度变化的三维立体结构。两个外部层组摩擦层组针刺方向均由外向内针刺。作为摩擦材料，摩擦层且摩擦面内同时包含波纹形无纬布材料与波纹形网胎材料，同一摩擦面上波纹形无纬布材料的体积比变化范围为20-80vol％。
本发明之摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备结构层针刺预制体：按照0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的顺序依次循环铺层，采用针刺机进样滚轮压实后针刺，形成平面形预氧丝针刺预制体，作为结构层预制体。针刺深度15mm。网胎厚度0.50mm。
(2)制备复合结构针刺预制体：将平面形预氧丝针刺预制体铺于底部，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序循环铺层，不压实，于蓬松状态下进行针刺，针刺深度25mm，网胎厚度1.0mm。
针刺过程中，表面和里层部分预氧丝被刺针倒钩带入，强迫刺入铺层结构内部，针刺预氧丝的牵拉作用和压迫作用使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状结构。蓬松铺层结构以及较厚的网胎层使得针刺前结构更具有柔性特征，使得针刺过程中波纹形形变更为容易。
完成单边针刺后，将整体针刺结构翻面，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序在另一边循环铺层，不压实，同样于蓬松状态下进行针刺，使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状立体结构，针刺深度25mm，网胎厚度1.0mm。完成双边针刺，得到内部层组为预氧丝平直形连续增强结构层组、两个外部层组为预氧丝波纹形连续增强摩擦层组的复合结构针刺预制体。
(3)炭化处理：将步骤(2)所得复合结构针刺预制体置于炭化炉中，于N2保护气氛下进行炭化处理。炭化处理的升温工艺为：以33℃/h的升温速率由室温升至300℃，以8℃/h的升温速率由300℃升至700℃，以25℃/h的升温速率由700℃升至1200℃，并于1200℃下保温2h，后冷却至室温。炭化处理后，预氧丝转变为碳纤维，同时去除了预氧丝因针刺变形而产生的内应力，得到内部层组为平直碳纤维增强结构层组、两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构层组的炭化后的复合结构预制体。
(4)化学气相渗透(CVI)致密：将步骤(3)所得炭化后的复合结构预制体放入化学气相渗透(CVI)沉积炉中，通入碳源气体和载气，采用化学气相渗透工艺沉碳增密，得内部层组为平直碳纤维增强结构层组、两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构层组的复合结构C/C多孔体；
所采用碳源气体为天然气。
所采用载气为H2。
碳源气体与载气的体积比为1:3。
(5)高温处理：将步骤(4)所得复合结构C/C多孔体置于高温炉中进行石墨化处理，处理温度2300℃，保温时间8小时，得到内部层组为平直碳纤维增强结构、两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的石墨化后的复合结构C/C多孔体。
(6)液相渗硅：将步骤(5)所得石墨化后的复合结构C/C多孔体埋入装有硅粉的坩埚中，放入渗硅炉中进行熔融渗硅处理，处理温度：1800℃，保温时间30min。得内部层组为平直碳纤维增强结构、两个外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C-SiC摩擦材料。采用常规测试方法对本实施例制得的复合结构的C/C-SiC摩擦材料进行性能方面的测试，测试结果如下：摩擦层层间剪切强度为47～59MPa，抗压强度为170～190MPa，Z方向(垂直摩擦面方向)的热导率为43W/(m·K)。常规平面形长纤C/C-SiC摩擦材料层间剪切强度为17～27MPa，抗压强度为100～140MPa，Z方向(垂直摩擦面方向)的热导率为10W/(m·K)。
可见，本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与平面形长纤C/C-SiC摩擦材料相比，Z方向热导率和层间剪切强度明显增强。
对本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料和平面形长纤C/C-SiC摩擦材料在MM-1000型摩擦磨损性能试验机上进行摩擦磨损实验，实验参数：制动压力0.8MPa，转动惯量0.25kg·m2，转速7000r/min，实验次数10次，记录10次摩擦磨损实验所得摩擦系数。由于平面形长纤C/C-SiC摩擦材料摩擦面材料结构存在差异，因此摩擦面为无纬布结构时记录5次实验数据，摩擦面为网胎结构时记录5次实验数据。
本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与现有技术中平面形长纤C/C-SiC摩擦材料不同摩擦次数所测得的摩擦系数如下表所示。可见，两者平均摩擦系数分别为0.39，0.38。复合结构的C/C-SiC摩擦材料不同摩擦面上结构相近，不同摩擦次数下所测得的摩擦系数较为稳定，极差和标准方差均较小，波动范围小。而现有技术的平面形长纤C/C-SiC摩擦材料在磨擦过程中由于存在碳布和网胎两种不同的结构，前5次(摩擦面为碳布结构)和后5次(摩擦面为网胎结构)摩擦系数存在明显差异。表3为本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与现有技术中平面形长纤C/C-SiC摩擦材料不同摩擦次数所测得的摩擦系数变化。
表3
Figure BDA0002662203240000161
实施例4
本实施例提供了另一种复合结构摩擦材料及其制备方法。
本实施例所制备的摩擦材料，包括一个内部层组和一个外部层组，近摩擦面的部分为外部层组，远摩擦面的部分为内部层组，内部层组为碳纤维平直形连续增强结构层组，外部层组为碳纤维波纹形连续增强摩擦层组。内部层组和外部层组之间通过针刺碳纤维相连接。所采用碳纤维前驱体为预氧丝。
本实施例所制备的摩擦材料内部层组为结构层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后压实针刺形成的三维针刺立体结构，外部层组为摩擦层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后于蓬松状态下加大针刺深度制得的形变量梯度分布的连续波纹形立体结构。摩擦层组网胎厚度较结构层组网胎厚度厚。由内向外，碳纤维波纹形形变量逐渐增大，整体结构为由平面形向波纹形梯度变化的三维立体结构。外部层组摩擦层组针刺方向均由外向内针刺。作为摩擦材料，摩擦层且摩擦面内同时包含波纹形无纬布材料与波纹形网胎材料，同一摩擦面上波纹形无纬布材料的体积比变化范围为20-80vol％。
本发明之摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备结构层针刺预制体：按照0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的顺序依次循环铺层，采用针刺机进样滚轮压实后针刺，形成平面形预氧丝针刺预制体，作为结构层预制体。针刺深度15mm。网胎厚度0.50mm。
(2)制备复合结构针刺预制体：将平面形预氧丝针刺预制体铺于底部，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序循环铺层，不压实，于蓬松状态下进行针刺，针刺深度25mm，网胎厚度1.0mm。得到内部层组为预氧丝平直形连续增强结构层组、外部层组为预氧丝波纹形连续增强摩擦层组的复合结构针刺预制体。
针刺过程中，表面和里层部分预氧丝被刺针倒钩带入，强迫刺入铺层结构内部，针刺预氧丝的牵拉作用和压迫作用使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状结构。蓬松铺层结构以及较厚的网胎层使得针刺前结构更具有柔性特征，使得针刺过程中波纹形形变更为容易。
(3)炭化处理：将步骤(2)所得复合结构针刺预制体置于炭化炉中，于氩气保护气氛下进行炭化处理。炭化处理的升温工艺为：以35℃/h的升温速率由室温升至300℃，以10℃/h的升温速率由300℃升至700℃，以30℃/h的升温速率由700℃升至1100℃，并于1100℃下保温3h，后冷却至室温。炭化处理后，预氧丝转变为碳纤维，同时去除了预氧丝因针刺变形而产生的内应力，得到内部层组为平直碳纤维增强结构层组、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构层组的炭化后的复合结构预制体。
(4)化学气相渗透(CVI)致密：将步骤(3)所得炭化后的复合结构预制体放入化学气相渗透(CVI)沉积炉中，通入碳源气体和载气，采用化学气相渗透工艺沉碳增密，得内部层组为平直碳纤维增强结构层组、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构层组的复合结构C/C多孔体；
所采用碳源气体为天然气。
所采用载气为H2。
碳源气体与载气的体积比为1:2。
(5)高温处理：将步骤(4)所得复合结构C/C多孔体置于高温炉中进行石墨化处理，处理温度2300℃，保温时间8小时，得到内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的石墨化后的复合结构C/C多孔体。
(6)液相渗硅：将步骤(5)所得石墨化后的复合结构C/C多孔体埋入装有硅粉的坩埚中，放入渗硅炉中进行熔融渗硅处理，处理温度：1800℃，保温时间30min。得内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C-SiC摩擦材料。采用常规测试方法对本实施例制得的复合结构的C/C-SiC摩擦材料进行性能方面的测试，测试结果如下：摩擦层层间剪切强度为47～59MPa，抗压强度为170～200MPa，Z方向(垂直摩擦面方向)的热导率为43W/(m·K)。常规平面形长纤C/C-SiC摩擦材料层间剪切强度为17～27MPa，抗压强度为100～140MPa，Z方向(垂直摩擦面方向)的热导率为10W/(m·K)。
可见，本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与平面形长纤C/C-SiC摩擦材料相比，Z方向热导率和层间剪切强度明显增强。
对本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料和平面形长纤C/C-SiC摩擦材料在MM-1000型摩擦磨损性能试验机上进行摩擦磨损实验，实验参数：制动压力0.8MPa，转动惯量0.25kg·m2，转速7000r/min，实验次数10次，记录10次摩擦磨损实验所得摩擦系数。由于平面形长纤C/C-SiC摩擦材料摩擦面材料结构存在差异，因此摩擦面为无纬布结构时记录5次实验数据，摩擦面为网胎结构时记录5次实验数据。
本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与现有技术中平面形长纤C/C-SiC摩擦材料不同摩擦次数所测得的摩擦系数如下表所示。可见，两者平均摩擦系数分别为0.39，0.38。复合结构的C/C-SiC摩擦材料不同摩擦面上结构相近，不同摩擦次数下所测得的摩擦系数较为稳定，极差和标准方差均较小，波动范围小。而现有技术的平面形长纤C/C-SiC摩擦材料在磨擦过程中由于存在碳布和网胎两种不同的结构，前5次(摩擦面为碳布结构)和后5次(摩擦面为网胎结构)摩擦系数存在明显差异。表4为本实施例制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料与现有技术中平面形长纤C/C-SiC摩擦材料不同摩擦次数所测得的摩擦系数变化。
表4
Figure BDA0002662203240000191
图5为本实施例采用本发明的方法制备的复合结构的C/C-SiC摩擦材料的截面图。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.复合结构摩擦材料的制备方法，复合结构摩擦材料包括至少一个内部层组和至少一个外部层组，近摩擦面的部分为外部层组，远摩擦面的部分为内部层组，内部层组为碳纤维平直形连续增强的结构层组，外部层组为碳纤维波纹形连续增强的摩擦层组；内部层组和外部层组之间通过针刺碳纤维相连接，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备结构层组针刺预制体：按照0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的顺序依次循环铺层，采用针刺机进样滚轮压实后针刺，形成平面形预氧丝针刺预制体，作为结构层预制体；
无纬布由原材料长预氧丝制得，网胎由原材料短切预氧丝制得；
(2)制备复合结构针刺预制体：将步骤(1)所得平面形预氧丝针刺预制体铺于底部，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序循环铺层，不压实，于蓬松状态下进行针刺，使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状立体结构，即完成单边针刺，得到内部层组为预氧丝平直形连续增强结构层组、外部层组为预氧丝波纹形连续增强摩擦层组的复合结构针刺预制体；
或者，完成单边针刺后，将整体针刺结构翻面，延续0°无纬布-网胎-90°无纬布-网胎的结构顺序在另一边循环铺层，不压实，于蓬松状态下进行针刺，使得蓬松铺层的平面形无纬布与网胎弯曲变形形成连续波纹状立体结构，即完成双边针刺，得到内部层组为预氧丝平直形连续增强结构层组、两个外部层组为预氧丝波纹形连续增强摩擦层组的复合结构针刺预制体；
(3)炭化处理：将步骤(2)所得复合结构针刺预制体置于炭化炉中，于N2或惰性气体保护气氛下进行炭化处理，预氧丝转变为碳纤维，同时去除预氧丝因针刺变形而产生的内应力，得到内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的炭化后的复合结构预制体；
(4)化学气相渗透致密：将步骤(3)所得炭化后的复合结构预制体放入待沉积环境中，通入碳源气体和载气，采用化学气相渗透工艺沉碳增密，得到内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C多孔体；
(5)高温处理：将步骤(4)所得复合结构C/C多孔体进行石墨化处理，得到内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的石墨化后的复合结构C/C多孔体；
(6)液相渗硅：将步骤(5)所得石墨化后的复合结构C/C多孔体埋入硅粉中，进行熔融渗硅处理；得内部层组为平直碳纤维增强结构、外部层组为连续波纹形碳纤维增强结构的复合结构C/C-SiC摩擦材料，即为C/C-SiC摩擦材料。
2.根据权利要求1所述的复合结构摩擦材料的制备方法，其特征在于，内部层组为结构层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后、压实针刺形成的三维针刺立体结构；外部层组为摩擦层组，是由平面形无纬布和平面形网胎循环铺层后、于蓬松状态下加大针刺深度制得的形变量梯度分布的连续波纹形立体结构。
3.根据权利要求1所述的复合结构摩擦材料的制备方法，其特征在于，外部层组网胎厚度比内部层组网胎厚度厚。
4.根据权利要求1所述的复合结构摩擦材料的制备方法，其特征在于，外部层组的摩擦面内同时包含波纹形无纬布材料与波纹形网胎材料，同一摩擦面上波纹形无纬布材料的体积比为20～80vol％。
5.根据权利要求1所述的复合结构摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，针刺深度为6～15mm，网胎厚度为0.15-0.50mm。
6.根据权利要求1所述的复合结构摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，针刺深度15～25mm，网胎厚度0.50-1.00mm。
7.根据权利要求1所述的复合结构摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所采用碳源气体为甲烷、丙烷、丙烯、天然气中的至少一种；所采用载气为H2；碳源气体与载气的体积比为1:1～3。
8.根据权利要求1所述的复合结构摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，石墨化处理的处理温度1800-2300℃，保温时间8-12小时；步骤(6)中，熔融渗硅处理的处理温度：1300-1800℃，保温时间30-60min。
9.根据权利要求1～5之一所述的复合结构摩擦材料的制备方法，其特征在于，预氧丝采用碳纤维代替，无需进行步骤(3)的炭化处理。
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