CN115353406A - 一种废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘及其制备方法。关键是包括具有键槽的炭材料下半盘(1)，炭材料下半盘(1)经胶粘结构层(3)与具有键槽的炭材料上半盘(2)连接。本发明由已有的飞机用的到寿或废旧刹车盘制备，节约了大量的炭纤维材料，同时制备工艺相对简单，制备时间较现有技术可大幅降低，节约了大量的能源和大幅降低了制备成本，具有极佳的经济效益和社会效益。
Description
技术领域：
本发明涉及一种摩擦材料，具体而言是指一种可用于飞机使用的炭/炭材料刹车盘及其制备方法。
背景技术：
炭/炭复合材料刹车盘在大型商用客机如空客系列、波音系列和高性能军用飞机上已经获得广泛应用，炭/炭复合材料刹车盘(简称炭盘)在使用过程中由于摩擦摩损，厚度逐渐变薄，使厚度小于使用要求，且炭盘在刹车制动过程处于较高的温度状态，炭盘的长期使用，自身材质也会有各种性能的变化，故使用一定时间后，炭盘必须更换，则存在大量的使用寿命到期的到寿炭盘，由于非商用飞机用的炭盘使用量巨大，由于生产周期长达4～5个月，制造成本高，原材料炭纤维市场上供应紧张，且到寿炭盘又可能有安装键槽的损伤。因此大量到寿炭盘的再利用问题是一个急待解决的问题，这一问题的解决即具有现实的经济意义且具有重要的战略意义。
发明内容：
本发明的发明目的是公开一种节约材料、制备工艺简单和制备时间短的飞机用炭材料刹车盘及其制备方法。
本发明的炭材料刹车盘技术解决方案是：包括具有键槽的炭材料下半盘，炭材料下半盘经胶粘结构层与具有键槽的炭材料上半盘连接。
所述的飞机用炭材料刹车盘的制备方法，其制备方法的步骤如下：
a.制备耐高温胶粘剂；
b.在下半盘或/和上半盘的一表面涂覆耐高温胶粘剂，将下半盘与上半盘粘接后经加压与加热固化；
c.将步骤b的得品置入高温炉内，在氮气保护下，加热至1650℃高温烧结，得所述的飞机用炭材料刹车盘。
所述的耐高温胶粘剂按重量百分比计的组分构成是：
所述的步骤b中，将粘接后的下半盘与上半盘置入加热炉内，经空气加压至压力为1.8～2.5MPa，同时加热至温度为120℃～200℃进行固化。
所述的步骤b中，在下半盘或上半盘涂覆耐高温胶粘剂前，对下半盘和上半盘进行气相沉积使下半盘和上半盘的密度大于1.75g/cm3；或在步骤c后，对步骤c的得品进行气相沉积使得品的密度大于1.75g/cm3。
所述的步骤a后，对下半盘和/或上半盘的键槽用浸渍有浸渍液的炭纤维布进行修补，并压制成型。
所述的浸渍液按重量百分比计的组分构成是：
所述的压制成型的步骤是：将修补后的下半盘和上半盘置入固化炉中密闭后，抽真空至-0.098MPa，保压2小时，然后用空压机将空气压入固化炉内，加压速率为0.08～0.2MPa/分钟，加压至2.5MPa后保持压力，炉内加热升温，升温速率为5℃/小时，升温到180℃～200℃保温2小时。
所述的步骤c后，在飞机用炭材料刹车盘的非摩擦表面涂覆抗氧化涂层，置入高温炉内加热至600℃～800℃，炉内压力为1.5MPa，保温30～60分钟。
所述的抗氧化涂层按重量百分比计的组分的构成是：
本发明公开的上述的技术方案中，炭材料制备的下半盘和上半盘具有良好的热稳定性、高耐磨性和强度，特别是可以由已有的飞机用的到寿或废旧刹车盘制备，针对上述的到寿或废旧刹车盘原有特性，特别制备一种耐高温胶粘剂将上述的下半盘和上半盘连接，经特殊的工艺方法将两者牢固连接，而构成新的刹车盘。上述的胶粘剂构成粘接结构层，该粘接结构层与下半盘和上半盘不仅牢固连接，还具有与下半盘和上半盘接近的热膨胀系数、热传导率、密度和高强度，使本发明的刹车盘在使用时具有良好的耐磨性和高强度，完全满足使用要求，且充分利用到寿刹车盘节约了大量的炭纤维材料，同时制备工艺相对简单，制备时间较现有技术可大幅降低，节约了大量的能源和大幅降低了制备成本，制备成本可降低30％以上，具有极佳的经济效益和社会效益，而且具有重要的战略意义。
附图说明：
图1为本发明的一种实施例的断面结构示意图。
具体实施方式：
结合说明书附图给出本发明的具体实施方式的详细描述，需要说明的是对本发明的具体实施方式的详细描述是为便于对本发明的技术实质的理解，而不应视为是对本发明的权利要求的保护范围的限制。
请参见图1，本发明涉及的一种废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘的技术解决方案是：包括具有键槽的炭材料下半盘1，炭材料下半盘1经胶粘结构层3与具有键槽的炭材料上半盘2连接。现有的飞机用的刹车装置的通常结构是一端为压紧盘，另一端为承压盘，两者之间为动盘和静止盘，其中承压盘和压紧盘为单面摩擦，而动盘和静止盘的两表面均为摩擦面。上述的下半盘1和上半盘2上的键槽为安装需要而设置，为原有的结构，故未详细描述，下半盘1和上半盘2经过胶粘结构层3连接为一体后，其整体规格或尺寸与飞机用的刹车装置的动盘或静止盘一致，可以两表面为摩擦面，上述的胶粘结构层3同样为炭材料，其由特定的多组分的胶粘剂经过高温烧制形成以炭/炭材料为主要成分并辅以部分高熔点的陶瓷材料生成物构成的胶粘结构层3，特定的高温烧制过程使胶粘剂会渗入炭材料下半盘1和炭材料上半盘2的多孔性质的表面，形成一个渗入过渡结构层，使胶粘结构层3与炭材料下半盘1和炭材料上半盘2形成牢固的连接，同时烧结后的胶粘结构层3的密度、热膨胀系数、结构强度与炭材料下半盘1和炭材料上半盘2的密度、热膨胀系数、结构强度相接近，使刹车盘在使用过程中摩擦面产生的热量会迅速传递，同时使较高温度的刹车盘内部的热应力减少，不会产生过多的微小的裂缝隙，使用寿命增加。
所述的飞机用炭材料刹车盘的制备方法的步骤如下：a.制备耐高温胶粘剂；b.在下半盘1或/和上半盘2的一表面涂覆耐高温胶粘剂，将下半盘1与上半盘2粘接后经加压与加热固化；c.将步骤b的得品置入高温炉内，在氮气保护下，加热至1650℃烧结，得所述的飞机用炭材料刹车盘。
上述步骤a制备的耐高温胶粘剂由多组分按特定的配比混合后制得，按重量百分比计的耐高温胶粘剂的组分构成是：30～45％的酚醛树脂、10～15％的炭毡粉、5～10％的短切炭纤维、10～15％的硅粉、5～8％的二氧化锆粉、0.5～1.5％的硅烷偶联剂(商品号为KH550)和3～10％的炭黑粉。上述的胶粘剂混合后具有一定的流变性和渗透性，既可以使各组分相互融合又可以渗透入多孔性质的炭材料下半盘1和炭材料上半盘2的表层内，在高温烧结后，短切炭纤维与胶粘剂中的多种炭组分包括热解炭构成炭/炭材料，同时其中还有部分陶瓷成分的胶粘结构层3。并且渗透入多孔性质的炭材料下半盘1和炭材料上半盘2的表层内的胶粘剂同时被烧结成炭/炭材料和陶瓷材料的混合材料，该部分构成了炭材料下半盘1与炭材料上半盘2与胶粘结构层3之间的一个连接过渡结构层，使连接更为牢固或使炭材料下半盘1与炭材料上半盘2之间的连接强度大幅增加。短切炭纤维在胶粘剂中的均匀混合，使胶粘结构层3自身的强度大幅增加，同时使胶粘结构层3具有良好的各向应力的均匀分布。上述的胶粘结构层3的密度、热传导率、热膨胀系数和结构强度与炭材料下半盘1和炭材料上半盘2的上述性能参数接近，使刹车盘在使用状态时，内部不会产生不当的热应力和微小裂纹，对提高刹车盘的整体性能具有重要的作用。上述的胶粘结构层3具有优良的力学性能，经过实验测量，胶粘结构层3的抗弯强度＞100MPa、抗压强度＞150MPa、弹性模量＞15GPa、层间剪切强度＞12MPa，与炭材料下半盘1和炭材料上半盘2具有良好的匹配。上述的各组分均可直接市场购买，炭毡粉的粒度为大于300目，硅粉的粒度为大于500目，二氧化锆粉的粒度为大于500目，炭黑粉为纳米级，短切炭纤维长度为1～5mm。
所述的步骤b中，将粘接后的下半盘1与上半盘2置入加热炉内，经空气加压至压力为1.8～2.5MPa，同时加热至温度为120℃～200℃进行固化；在上述过程，在温度下，胶粘剂中的部分挥发物会逸出，同时使各组分进一步的融合和发生反应，且又在压力作用下，胶粘剂被进一步压实而提高自身密度的同时，还使胶粘剂进一步渗入下半盘1与上半盘2的表面层，进一步提高前述的连接过渡层的厚度，使下半盘1与上半盘2之间的连接强度提高。
实际上，上述的下半盘1和上半盘2为飞机用的到寿炭盘，在长期的使用中，在压力和较高的温度作用下，到寿炭盘会有一定的质量损失或产生微小裂纹，故在上述的步骤b中，在下半盘1和上半盘2涂覆耐高温胶粘剂前，对下半盘1和上半盘2进行气相沉积使下半盘1和上半盘2的密度大于1.75g/cm3，上述的气相沉积法(CVD法)为现有技术，故不作详细描述，通过上述的增加密度工艺步骤，在增加密度的同时，还填充了到寿炭盘构成的下半盘1和上半盘2中可能存在的微小裂纹，进一步提高了耐磨性能和强度。或在步骤c后，对步骤c的得品进行气相沉积使得品的密度大于1.75g/cm3。上述的步骤b后的气相沉积和步骤c后的气相沉积，均可单独选用或同时使用。
上述的下半盘1和上半盘2原有的键槽有可能存在一定程度的破损或磨损，故在上述的步骤a后，对下半盘1和/或上半盘2的键槽用浸渍有浸渍液的炭纤维布进行修补，并压制成型；将浸渍有浸渍液的炭纤维布按破损程度进行粘贴，留有一定的余量，用成型工模或模具对炭纤维布施加一定的压力而形成预期的构型与尺寸。所述的浸渍液按重量百分比计的组分构成是：30～40％的酚醛树脂、35～45％的酒精、10～15％的炭纤粉和15～20％的石墨粉；该浸渍液可充分渗透入炭纤维布，经过粘贴键槽后，所述的压制成型的步骤是：将修补后的下半盘1和上半盘2置入固化炉中密闭后，抽真空至-0.098MPa，保压2小时，然后用空压机将空气压入固化炉内，加压速率为0.08～0.2MPa/分钟，加压至2.5MPa后保持压力，炉内加热升温，升温速率为5℃/小时，升温到180℃～200℃保温2小时，得到修补后的下半盘1和上半盘2。其中，酚醛树脂和酒精为市场购买，炭纤粉的粒度为大于300目，石墨粉的粒度为大于10000目。
在制备出上述的刹车盘后，由于刹车盘在使用过程中因摩擦作用而产生的热会使刹车盘得到较高的温度，为提高刹车盘的寿命，在上述的步骤c后，在刹车盘的非摩擦表面涂覆抗氧化涂层4，置入高温炉内加热至600℃～800℃，炉内压力为1.5MPa，保温30～60分钟；上述的涂层4在压力作用下会渗透入下半盘1和上半盘2的表面，又在高温作用下生成特殊的具有抗氧化的陶瓷材料，这避免了刹车盘的非摩擦面与空气中的氧发生反应，对提高使用寿命大有益处。如上述的刹车盘用作动盘和静止盘，则只需在刹车盘的柱圆表面进行涂覆，如刹车盘用作压紧盘或承压盘，除作为摩擦面的一个圆形表面外，其余表面均进行涂覆。
所述的抗氧化涂层按重量百分比计的组分的构成是：10～15％的磷酸、6～10％的硼酸、12～16％的磷酸钾、6～10％的磷酸二氢锰、8～15％的磷酸铝、8～12％的硅溶胶、5～10％的硅粉、4～10％的碳化硼和3～6％的氧化铝。上述的抗氧化涂层的各组分混合均匀则可制得，在高温烧制后，具有极佳的抗氧化性能，例如在800℃有氧气氛下，30个小时氧化失重率小于10％，且热震性能也非常好，如在900℃室温2分钟，或炉内3分钟，30次的失重率＜10％，在1100℃下，5次失重率＜10％。
Claims (10)
1.一种废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘，其特征在于包括具有键槽的炭材料下半盘(1)，炭材料下半盘(1)经胶粘结构层(3)与具有键槽的炭材料上半盘(2)连接。
2.按权利要求1所述的废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘的制备方法，其特征在于所述的制备方法的步骤如下：
a.制备耐高温胶粘剂；
b.在下半盘(1)或/和上半盘(2)的一表面涂覆耐高温胶粘剂，将下半盘(1)与上半盘(2)粘接后经加压与加热固化；
c.将步骤b的得品置入高温炉内，在氮气保护下，加热至1650℃高温烧结，得所述的飞机用炭材料刹车盘。
3.按权利要求2所述的废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘的制备方法，其特征在于所述的耐高温胶粘剂按重量百分比计的组分构成是：
4.按权利要求3所述的废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘的制备方法，其特征在于所述的步骤b中，将粘接后的下半盘(1)与上半盘(2)置入加热炉内，经空气加压至压力为1.8～2.5MPa，同时加热至温度为120℃～200℃进行固化。
5.按权利要求4所述的废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘的制备方法，其特征在于所述的步骤b中，在下半盘(1)或上半盘(2)涂覆耐高温胶粘剂前，对下半盘(1)和上半盘(2)进行气相沉积使下半盘(1)和上半盘(2)的密度大于1.75g/cm3；或在步骤c后，对步骤c的得品进行气相沉积使得品的密度大于1.75g/cm3。
6.按权利要求5所述的废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘的制备方法，其特征在于步骤a后，对下半盘(1)和/或上半盘(2)的键槽用浸渍有浸渍液的炭纤维布进行修补，并压制成型。
7.按权利要求6所述的废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘的制备方法，其特征在于所述的浸渍液按重量百分比计的组分构成是：
8.按权利要求7所述的废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘的制备方法，其特征在于所述的压制成型的步骤是：将修补后的下半盘(1)和上半盘(2)置入固化炉中密闭后，抽真空至-0.098MPa，保压2小时，然后用空压机将空气压入固化炉内，加压速率为0.08～0.2MPa/分钟，加压至2.5MPa后保持压力，炉内加热升温，升温速率为5℃/小时，升温到180℃～200℃保温2小时。
9.按权利要求7所述的废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘的制备方法，其特征在于步骤c后，在飞机用炭材料刹车盘的非摩擦表面涂覆抗氧化涂层(4)，置入高温炉内加热至600℃～800℃，炉内压力为1.5MPa，保温30～60分钟。
10.按权利要求9所述的废旧炭材料盘构成的飞机用炭材料刹车盘的制备方法，其特征在于所述的抗氧化涂层按重量百分比计的组分的构成是：
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