CN1631845A - 磁浮列车滑橇用碳纤复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料、制造方法和应用。该碳纤复合材料板的组织结构芯部是均一碳/碳纤两相复合结构，表层则是碳/碳纤/碳化硅三相梯度复合材料，碳纤复合材料板密度为1.65－1.72，其抗压强度154～171MPa，层间剪切强度为11.5～13.2MPa。可用于制备磁浮列车滑橇用碳纤复合材料板和刹车片。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳/碳纤复合材料，具体地说是一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料。
背景技术
磁浮交通在世界范围尚属一项新的技术，用於磁浮高速列车的主要承载部件---滑橇，它的关键零件是耐高温的高速耐磨碳纤维复合材料板.它要求同时具有若干项优异的性能。因此对於它的制造方法和材料性能，目前尚未见到文献报导和专利介绍。
磁浮高速列车是新型的交通工具，运行速度高达500公里/小时，(即139米/秒)，磁浮高速列车没有车轮，取而代之的是若干对滑橇，滑橇的主要零件是碳纤复合材料板，滑橇的主要功能是：
(1)，支撑列车(包括乘客和行李)的重量；
(2)，当列车在运行途中紧急刹车时，或因车辆故障需牵引拖至修理场地时，要保证列车安全地在轨道上滑行，并不磨损轨道。
由於列车速度高，因此对碳纤复合材料板的性能要求也很高，要求它同时具备以下性能；(1)，高的抗压强度，以承载列车重量和列车沉浮过程中的压缩冲击和压缩疲；(2)，高的层间剪切强度和冲击强度，以满足安全地承受高速滑行时与轨道摩擦形成的冲击和剪切；(3)，低的摩擦系数，同时在高速高温摩擦条件下具有低的磨耗；(4)，高速条件下摩擦常伴随升温，因此要有良好的导热性能和低的热膨胀系数，以减小热变形，保持零件几何尺寸的稳定；(5)，良好的高温强度，不因摩擦发热升温而导致机械性能的下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料。
本发明的目的还是提供一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料的制造方法，确保能制造出具备上述机械性能和物理性能的碳纤复合材料板，实现在商业运行的列车上正常安全地应用。
本发明的另一目的是提供一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料的用途。本发明的磁浮列车滑橇用碳纤复合材料，其组织结构芯部是均一碳/碳纤两相复合结构，表层则是碳/碳纤/碳化硅三相梯度复合材料。
本发明的磁浮列车滑橇用碳纤复合材料的生产工艺分三个部份：先驱体的制作；碳化与增密；机加工与表面涂层。
先驱体的制作工艺如下：
碳纤布----表面处理----浸渍树脂----成型固化-----一定尺寸形状的先驱体。
碳化与增密工艺如下：先驱体----碳化----浸渍树脂----碳化(反复多次，直至达到所要求的密度)-----石墨化处理-----高压浸渍树脂再碳化。
机械加工与表面涂层工艺如下；用铣，钻等加工方法加工到图纸尺寸(工作面和安装面留磨削余量)-----表面涂层处理----磨光----检验。
本发明的碳纤维采用高强丙烯腈碳纤维，可用6k或12K的束丝织成碳纤维布，其织物结构可以是平纹布，也可以是钭纹布。
碳纤维布的表面处理目的是清除纤维表面胶质，提高表面活性，增加同胶粘剂的粘合力。其方法采用在300-550℃氧化炉中间隙式氧化法。氧化时间0.5-3小时。
浸渍树脂可以采用浸渍碳得率高的酚醛树脂；(即加热到1000℃碳得率在50-60％的硼酸改性酚醛树脂)，为提高对碳纤布的浸渍能力，用溶剂稀释到树脂胶液相对密度在1.00-1.10，烘干温度115-130℃，控制树脂的浸渍量在5-40％。
浸渍树脂后的碳纤维布按照先驱体的大小裁剪成若干张，按先驱体的厚度将碳纤维布叠层铺没在压机的模板上，用加热加压的方法固化成型，固化工艺；温度160-200℃，压力8-16Mpa，最后制成一定尺寸和厚度的先驱体。然后将先驱体在220-250℃烘箱中作后固化处理8小时。
先驱体在真空碳化炉中碳化，制成密度较低(1.4以下)的碳/碳纤复合材料，碳化工艺主要参数是；在450-650℃区间升温速度不超过30℃/小时；前阶段真空保护；后阶段氮气保护；最高碳化温度1100℃。
增密处理的目的是增加碳/碳纤复合材料的密度，从而提高它的性能，它是通过浸渍树脂和碳化两道工艺反复进行的，碳化后的复合材料存在许多孔隙，将它置於树脂浸渍罐中，在真空条件下加入煤沥青，并将温度控制在200-250℃使沥青流动性最好，以利於浸渍，然后通入氮气，施以一定压力，让沥青填满孔隙，然后再在碳化炉中将沥青转化成碳，工艺同前述碳化工艺，随着次数增加，孔隙愈来愈小，浸渍压力愈来愈高。本产品浸沥青的压力在10-60Mpa。
石墨化处理的目的是让部份碳转化成石墨，从而提高复合材料的性能，还能将表层沉渍碳开孔，以利於进一步增密。或涂层处理，石墨化处理温度为2200℃，升温速度30-50℃/小时。
表面涂层的目的有二，一是防止高速摩擦条件下产生的高温使复合材料氧化，从而降低机械性能和物理性能。二是增加表层的硬度和密度，使表层形成梯度复合材料，从而提高板的耐磨性和使用寿命。本发明采用了SiC涂层的复合工艺。其工艺为CVR(化学气相反应法)经处理后表层形成C-C-SiC三元复合组织的坚硬耐磨层。
滑橇用碳纤复合材料板的尺寸形状分大小两种，如图1，图2所示。工作面和安装面最后都要经磨光工艺加工。
经过上述工艺，可以制得密度在1.65-1.72的碳纤复合材料板，其抗压强度不低於140Mpa，层间剪切强度不低於10Mpa，其它各项性能均能满足磁浮高速列车运行的要求。与本发明相近的碳/碳复合材料多用作宇航装备，其功能多作为高温烧蚀材料之用，本发明为碳/碳复合材料开拓了高速耐磨高性能器件的用途，它不仅用於磁浮高速列车滑橇，也能作为耐磨材料用於其它高速耐磨器件---如刹车片。
附图说明
图1是本发明的滑橇用小尺寸碳纤复合材料板；
图2是本发明的滑橇用大尺寸碳纤复合材料板：其中图2-1为正视图，图2-2为俯视图
图3是本发明的碳纤复合材料的表面组织结构中SiC分布电镜照片；
图4是本发明的碳纤复合材料的芯部组织结构电镜照片；
其中图1-1为正视图，图1-2为俯视图，图2-1为正视图，图2-1为俯视图。
符号说明：
1-磁浮列车滑橇用碳纤复合材料板，11-装配面，12-摩擦面，13-装配孔，△碳纤维，□碳化硅，◇沥青转化成的碳，○孔隙。
具体实施方式
通过下述实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例1
1，用6k碳纤维织成二上二下钭纹布，经纬纱密度为5.5-6.5根/厘米，经350℃高温脱脂表面氧化处理后，浸渍高碳得率硼酚醛树脂，树脂浸渍量为40％。
2，将浸过酚醛树脂的碳纤维布72层相叠，在170-190℃和8-10Mpa压力下固化交联制成厚30mm的先驱体。然后将先驱体在250℃高温炉中后固化处理8小时。
3，将先驱体置入常规真空碳化炉中碳化，碳化工艺主要参数是在450-650℃区间升温速度不超过30℃/小时；前阶段真空保护；后阶段氮气保护；最高碳化温度1100℃；其它同常规碳化工艺。
4，将第一次碳化后的先驱体置於高压浸渍罐中，在250-300℃温度下浸渍沥青，然后重复3碳化工艺进行碳化。
5，第3第4项工艺重复三次，先驱体密度增加到1.65-1.70以后进行石墨化处理。
6.石墨化处理在常规石墨化炉中进行，石墨化温度为2200-2300℃。
7，用机械切削加工工艺，按图1和图2的要求，加工碳/碳纤复合板至所需尺寸(厚度留0.5mm磨削余量)。
8，在专用的真空感应炉中对碳/碳纤复合板进行CVR(化学气相反应法)表层渗Si处理，处理温度；1700-2100℃；处理之后，在复合材料板表层形成SiC/C/CF三元复合组织，层深1.5-2.5mm，其性能坚硬耐磨，.而芯部仍是CF/C二元复合结构，保持了C/C复合材料的许多优异性能。图3为碳纤复合材料板表层组织结构SiC分布电镜照片，图4为碳纤复合材料板芯部组织的扫描电镜照片。
9，用金刚砂轮在平面磨床上将复合材料板工作面和安装面磨光，直到所要求的厚度尺寸及表面光洁度。
经过上述工艺所制得的磁浮列车滑橇用碳纤复合材料板。其性能如下；
| 序号 | 性能名称 | 单位 | 数值 |
| 1 | 层间剪切强度(室温) | Mpa | 11.5-13.2 |
| (800℃) | Mpa | 19.6-21.9 | |
| 2 | 压缩强度(室温) | MPa | 154-171 |
| (800℃) | Mpa | 127.5-198.3 | |
| 3 | 冲击强度(室温) | J/m | 375-580 |
| 4 | 热膨胀系数 | X10-6/℃ | 100℃ -0.8628 |
| 200℃ -0.5984 | |||
| 300℃ -0.3481 | |||
| 400℃ -0.1195 | |||
| 500℃ 0.0565 | |||
| 600℃ 0.1688 | |||
| 700℃ 0.2056 | |||
| 800℃ 0.2515 | |||
| 900℃ 0.3104 | |||
| 1000℃ 0.3957 |
| 5 | 导热系数 | W/m.K | 13.8-14.8 |
| 6 | 比热 | KJ/Kg.K | 0.850-2.235 |
| 7 | 热扩散率 | Cm2/S | 0.0912-0.0348 |
| 8 | 摩擦系数 | 不同速度条件 | 0.27-0.14 |
| 9 | 单位磨耗 | Mm/Km | 0.02 |
本发明确立了一种新型高速耐磨材料的生产制造工艺流程，与常规C/C复合材料制造方法相比，创新之处在於：(1)，常规C/C复合材料制造方法所得制品的组织结构是碳/碳纤两相均质复合结构，提高制品性能完全靠增加密度的方法，因此成本较高，而本发明所得制品的组织结构心部是均一碳/碳纤两相复合结构，表层则是碳/碳纤/碳化硅三相梯度复合材料，因此具有较好的耐磨性，并有较高的性价比，能降低C/C复合材料的生产成本，更易为民品市场所接受。(2)，本发明在制品性能与相关生产工艺之间建立起相匹配的联系，提供满足磁浮交通的高性能复合材料板。
Claims (8)
1、一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料，其特征是该碳纤复合材料的组织结构芯部是均一碳/碳纤两相复合结构，表层则是碳/碳纤/碳化硅三相梯度复合材料。
2、如权利要求1所述的一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料，其特征是该碳纤复合材料密度为1.65-1.72，其抗压强度154～171Mpa，层间剪切强度为11.5～13.2Mpa。
3、如权利要求1所述的一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料的制备方法，其特征是采用高强丙烯腈碳纤维通过下述三步制得：先驱体的制作；碳化与增密；机加工与表面涂层；
所述的先驱体的制作工艺如下：将上述碳纤布表面处理、浸渍树脂、成型固化得到一定尺寸形状的先驱体；
碳化与增密工艺如下：将上述先驱体碳化、浸渍树脂、反复多次碳化和浸渍树脂直至达到1.65-1.72密度、再石墨化处理；
机械加工与表面涂层工艺如下： 用铣、钻等加工方法加工到图纸尺寸、表面SiC涂层处理、磨光、检验。
4、如权利要求3所述的一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料的制备方法，其特征是所述的高强丙烯腈碳纤维是6k或12K的高强丙烯腈碳纤维。
5、如权利要求3所述的一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料的制备方法，其特征是所述的高强丙烯腈碳纤维是束丝织成碳纤维平纹或钭纹布。
6、如权利要求3所述的一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料的制备方法，其特征是所述的碳纤维布的表面处理是在300-550℃氧化炉中间隙式氧化法，氧化时间0.5-3小时；浸渍树脂采用浸渍碳得率高的酚醛树脂，即加热到1000℃碳得率在50-60％的硼酸改性酚醛树脂，用溶剂乙醇稀释到树脂胶液相对密度在1.00-1.10，烘干，烘干温度15--130℃，控制树脂的浸渍量在25-40％；浸渍树脂后的碳纤维布按照先驱体的大小裁剪，按先驱体的厚度将碳纤维布叠层铺没在压机的模板上，用加热加压的方法固化成型，温度170-190℃，压力8-10Mpa；然后在250℃烘箱中后固化8小时制得先驱体；先驱体在真空碳化炉中碳化，制成密度较低1.1～1.4的碳/碳纤复合材料板；碳化工艺在450--650℃区间，升温速度不超过30℃/小时；前阶段真空保护；后阶段氮气保护；最高碳化温度1100℃；增密处理是通过浸渍树脂和碳化两道工艺反复进行的，将它置於树脂浸渍罐中，在真空和200--250℃条件下加入煤沥青，然后通入氮气，在10-60Mpa压力下浸渍沥青，在碳化炉中将沥青转化成碳，工艺同上；石墨化处理温度为2200℃，表面涂层是采用化学气相反应法的复合工艺对表层渗Si，经处理后表层形成C-C-SiC三元复合组织坚硬耐磨层。
7、如权利要求1所述的一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料的用途，其特征是所述的碳纤复合材料板用于制备高速耐磨高性能器件。
8、如权利要求7所述的一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料的用途，其特征是所述的碳纤复合材料用于制备磁浮列车滑橇用碳纤复合材料板和刹车片。
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|---|---|---|---|---|
| CN101671536B (zh) * | 2009-08-29 | 2011-03-30 | 桂林星火机械制造有限公司 | 碳纤维摩擦材料及在制造汽车钢制同步器齿环摩擦层上的应用 |
| CN107935566A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-04-20 | 宁夏共享模具有限公司 | 一种铸造用烧结陶粒及其制备方法 |
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