CN112628326A - 一种碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种本发明实施例所述的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，用以解决现有技术中飞行器制动盘片制备周期长、机械强度低的问题。所述碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，在制备圆环状碳纤维制动盘片预制体和与相同尺寸垫盘的基础上，将均匀分布有放射状气体通道的垫盘、预制体、尺寸大于预制体端面的石墨圆盘从下至上依次平放于沉积室内，石墨圆盘覆盖于制动盘片预制体上；连接进气装置并抽真空后，再采用中频感应加热方式对预制体加热，达到沉积温度后，通入碳氢气体与氮气混合气体进行渗碳并沉积预定时间，制得制动盘片。本发明降低了能耗，缩短了制动片生产周期，同时提高了制动盘片密度、机械强度和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于航空零部件制备领域，具体涉及一种碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法。
背景技术
军用、民用飞机等飞行器在现代军事及民用运输中发挥着越来越重要的角色，飞行器的安全问题也不断升级，其中起落是飞行安全的重要一环。飞行器在起落过程中，需要依靠制动盘片进行制动，因此，制动盘片的制动性能是保障飞行器安全起落的关键部件。现代飞行器通常采用碳/碳复合材料制动盘片。
现有技术中，航空用碳/碳复合材料制动盘片通常采用真空烧结炉为碳/碳材料的复合提供真空高温环境，在均匀的热环境中完成碳沉积。例如，申请号为201811527844.6的中国专利，公开了一种基于快速沉积工艺的碳/碳复合材料刹车盘制备设备及其制备方法，通过对沉积过程的速度场、气体浓度场及温度场分布的调整，来缩短刹车盘的生产周期。但是，制动盘片在均匀的热环境中，无法保证对盘片任意厚度上的均匀渗碳，无法提高制动盘片的机械强度及使用寿命。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，采用中频感应方式对碳纤维制动盘片毛坯进行加热，同时通入含有碳及碳化硅气体的混合气体生成碳及碳化硅基体，提高制动盘片密度、机械强度及使用寿命，制备工艺简单、便于精密控制，可实现批量生产。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，所述飞行器制动盘片的制备方法包括如下步骤：
步骤S1，制备圆环状碳纤维制动盘片预制体；
步骤S2，制备与圆环状碳纤维制动盘片预制体端面尺寸相同的垫盘，所述垫盘上均匀分布有放射状气体通道；
步骤S3，将垫盘平放于沉积室内，碳纤维制动盘片预制体平放于所述垫盘上，再将尺寸大于预制体端面的石墨圆盘覆盖于所述制动盘片预制体上；
步骤S4，连接沉积室的进气装置，此时进气装置阀门关闭；
步骤S5，对沉积室抽真空；
步骤S6，采用中频感应加热方式对沉积室内的垫盘和预制体进行加热，达到沉积温度后，打开进气装置阀门，通入碳氢气体与氮气混合气体进行渗碳沉积；
步骤S7，沉积预定时间后，降温并关闭进气装置，取出沉积后的碳/碳复合材料飞行器制动盘片毛坯，经后处理制得密度为1.7～2.0g/cm3的碳/碳复合材料制动盘片。
作为本发明的一个优选实施例，所述垫盘与预制体具有相同的端面，厚度为0.5～5mm；气体通道是若干孔径为2～6mm的气孔，连通垫盘的上下端面，且均匀分布于整个垫盘，混合气体由所述气体通道进行定向流动。
作为本发明的一个优选实施例，所述垫盘为可碳化材料；后续加热过程中，垫盘碳化。
作为本发明的一个优选实施例，所述碳纤维采用沥青基碳纤维或聚丙烯晴基碳纤维。
作为本发明的一个优选实施例，所述预制体是采用沥青基或聚丙烯晴基12k碳纤维单向布，通过叠层的方式制备的叠层结构预制体，并加以针刺。
作为本发明的一个优选实施例，所述碳纤维制动盘片预制体的体积密度为0.40～0.80g/cm3，外径范围为100～600mm，内径为50～200mm。
作为本发明的一个优选实施例，所述碳氢气体与氮气混合气体中，碳氢气体为所述碳沉积提供碳源，所述惰性气体用于通过在混合气体中的占比，来调节碳沉积的温度，起到对温度梯度的调节作用。
作为本发明的一个优选实施例，所述温度梯度范围为900～1100℃，沉积时间为150～240h。
作为本发明的一个优选实施例，所述后处理，包括高温处理和机械加工；其中，所述高温处理温度为2000～2500℃，处理时间10～20h，升温速率为100±25℃/h；所述机械加工，根据图纸完成
本发明具有如下有益效果：
本发明实施例所述的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，在真空沉积室内采用中频感应方式直接对碳纤维制动盘片预制体进行加热，而不需要沉积室内的整个环境都处于高温下为渗碳过程提供能量，从而降低了能耗；通过制动盘片预制体自身具有沉积温度的前提下，缩短了沉积时间，从而缩短了生产周期，简化了生产工艺；同时，预制体的渗碳过程更加均匀，在盘片的整个厚度内实现均匀沉积，提高了制动盘片的机械强度和使用寿命。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施方式提供的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法流程图；
图2为本发明实施方式中所述垫盘的结构示意图；
图3为本发明实施方式中沉积室内的气体流动方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施方式提供了一种碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，在提高制动盘片密度和机械强度的同时，缩短生产周期，简化生产工艺，便于精密控制，实现批量生产，提高生产效率，降低生产成本。本实施方式基于化学气相沉积，采用中频感应加热方式，对加热设备内碳纤维制动盘片预制体进行加热控制，同时通入含碳及碳化硅或碳氢等多种先驱体的混合气体，通过设计好的气体通道，在预定压力下流入碳纤维制动盘片预制体中，并生成碳及碳化硅基体或碳基体，再经过后处理得到密度为1.7～2.0g/cm3的碳/碳复合材料制动盘片。
图1示出了本发明实施方式所述碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法流程图。如图1所示，所述飞行器制动盘片的制备方法包括如下步骤：
步骤S1，制备圆环状碳纤维制动盘片预制体。
本步骤中，所述碳纤维采用沥青基碳纤维或聚丙烯晴基碳纤维；所述碳纤维制动盘片预制体的体积密度为0.40～0.80g/cm3，外径范围为100～600mm，内径为50～200mm。优选地，所述预制体是采用沥青基或聚丙烯晴基12k碳纤维单向布，通过叠层的方式制备的叠层结构预制体，并加以针刺。
步骤S2，制备与圆环状碳纤维制动盘片预制体端面尺寸相同的垫盘，所述垫盘上均匀分布有放射状气体通道。
图2示出了所述垫盘的结构示意图。如图2所示，所述垫盘1与预制体3具有相同的端面，厚度为0.5～5mm，优选为1mm；气体通道21是若干孔径为2～6mm的气孔，连通垫盘的上下端面，且均匀分布于整个垫盘，混合气体由固定通道进行定向流动。所述垫盘为可碳化材料，如瓦楞纸。后续加热过程中，垫盘碳化。
步骤S3，将垫盘平放于沉积室内，碳纤维制动盘片预制体平放于所述垫盘上，再将尺寸大于预制体端面的石墨圆盘覆盖于所述制动盘片预制体上。
步骤S4，连接沉积室的进气装置，此时进气装置阀门关闭。
步骤S5，对沉积室抽真空。所述真空度，即炉压＜10Pa。
步骤S6，采用中频感应加热方式对沉积室内的垫盘和预制体进行加热，达到沉积温度后，打开进气装置阀门，通入碳氢气体与氮气混合气体进行渗碳沉积。
本步骤中，所述碳氢气体与氮气混合气体中，碳氢气体为所述碳沉积提供碳源，优选地，所述碳氢气体为甲烷、丙烷、丙烯等小分子、易裂解的有机气体；所述惰性气体用于通过在混合气体中的占比，来调节碳沉积的温度，起到对温度梯度的调节作用；优选地，所述惰性气体为氮气、氩气等。本实施方式中，所述温度梯度范围为900～1100℃，沉积时间为150～240h。
图3示出了本实施方式中沉积室内的气体流动方式示意图。如图3所示，进气装置设置于沉积室料盘2底部，通过料盘2中间的通孔21进入垫盘1，并依次进入碳纤维制动盘片预制体3和石墨封盖4，再从垫盘1的放射式气体通孔11中排出到沉积室内。
步骤S7，沉积预定时间后，降温并关闭进气装置，取出沉积后的碳/碳复合材料飞行器制动盘片毛坯，经后处理制得密度为1.7～2.0g/cm3的碳/碳复合材料制动盘片。
所述后处理，包括高温处理和机械加工。其中，所述高温处理温度为2000～2500℃，处理时间10～20h，升温速率为100±25℃/h；所述机械加工，根据图纸完成。
由以上技术方案可以看出，本发明实施方式提供的一种碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，在真空沉积室内采用中频感应方式直接对碳纤维制动盘片预制体进行加热，而不需要沉积室内的整个环境都处于高温下为渗碳过程提供能量，从而降低了能耗；通过制动盘片预制体自身具有沉积温度的前提下，缩短了沉积时间，从而缩短了生产周期，简化了生产工艺；同时，预制体的渗碳过程更加均匀，在盘片的整个厚度内实现均匀沉积，提高了制动盘片的机械强度和使用寿命。
在提高制动盘片密度和机械强度的同时，缩短生产周期，简化生产工艺，便于精密控制，实现批量生产，提高生产效率，降低生产成本。本实施方式基于化学气相沉积，采用中频感应加热方式，对加热设备内碳纤维制动盘片预制体进行加热控制，同时通入含碳及碳化硅等多种先驱体的混合气体，通过设计好的气体通道，在预定压力下流入碳纤维制动盘片预制体中，并生成碳及碳化硅基体，再经过后处理得到密度为1.7～2.0g/cm3的碳/碳复合材料制动盘片。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (9)
1.一种碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，其特征在于，所述飞行器制动盘片的制备方法包括如下步骤：
步骤S1，制备圆环状碳纤维制动盘片预制体；
步骤S2，制备与圆环状碳纤维制动盘片预制体端面尺寸相同的垫盘，所述垫盘上均匀分布有放射状气体通道；
步骤S3，将垫盘平放于沉积室内，碳纤维制动盘片预制体平放于所述垫盘上，再将尺寸大于预制体端面的石墨圆盘覆盖于所述制动盘片预制体上；
步骤S4，连接沉积室的进气装置，此时进气装置阀门关闭；
步骤S5，对沉积室抽真空；
步骤S6，采用中频感应加热方式对沉积室内的垫盘和预制体进行加热，达到沉积温度后，打开进气装置阀门，通入碳氢气体与氮气混合气体进行渗碳沉积；
步骤S7，沉积预定时间后，降温并关闭进气装置，取出沉积后的碳/碳复合材料飞行器制动盘片毛坯，经后处理制得密度为1.7～2.0g/cm3的碳/碳复合材料制动盘片。
2.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，其特征在于，所述垫盘与预制体具有相同的端面，厚度为0.5～5mm；气体通道是若干孔径为2～6mm的气孔，连通垫盘的上下端面，且均匀分布于整个垫盘，混合气体由所述气体通道进行定向流动。
3.根据权利要求2所述的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，其特征在于，所述垫盘为可碳化材料；后续加热过程中，垫盘碳化。
4.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，其特征在于，所述碳纤维采用沥青基碳纤维或聚丙烯晴基碳纤维。
5.根据权利要求4所述的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，其特征在于，所述预制体是采用沥青基或聚丙烯晴基12k碳纤维单向布，通过叠层的方式制备的叠层结构预制体，并加以针刺。
6.根据权利要求5所述的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，其特征在于，所述碳纤维制动盘片预制体的体积密度为0.40～0.80g/cm3，外径范围为100～600mm，内径为50～200mm。
7.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，其特征在于，所述碳氢气体与氮气混合气体中，碳氢气体为所述碳沉积提供碳源，所述惰性气体用于通过在混合气体中的占比，来调节碳沉积的温度，起到对温度梯度的调节作用。
8.根据权利要求1至7任一项所述的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，其特征在于，所述温度梯度范围为900～1100℃，沉积时间为150～240h。
9.根据权利要求8所述的碳/碳复合材料飞行器制动盘片的制备方法，其特征在于，所述后处理，包括高温处理和机械加工；其中，所述高温处理温度为2000～2500℃，处理时间10～20h，升温速率为100±25℃/h；所述机械加工，根据图纸完成。
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