UA82267C2

UA82267C2 - Composite material on the basis of carbon-carbon for friction elements

Info

Publication number: UA82267C2
Application number: UAA200604890A
Authority: UA
Inventors: Валерий Николаевич Старченко; Евгений Викторович Полупан; Сергей Иванович Шевченко
Original assignee: Восточноукраинский Национальный Университет Имени Владимира Даля
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2008-03-25

Abstract

A composite material based on carbon-carbon for friction elements contains the base from carbon fibers, laid in several layers, and matrix, which contains a phase on the basis of pyrocarbon obtained by consolidation of carbon fibers by pyrocarbon, a phase obtained by the introduction between the layers of carbon fibers of powder of amorphous boron with submicrometer dimension of particles prior to the process of consolidation by pyrocarbon, and a phase of silicon carbide. The composite material contains by volume 10-40 % of carbon fibers, 10-50 % of phase on the basis of pyrocarbon, 10-50 % of phase obtained by the introduction between the layers of carbon fibers of powder of amorphous boron with submicrometer dimension of particles prior to the process of consolidation by pyrocarbon, 10-35 % of phase of silicon carbide. It is designed for the production of brake systems of transportation vehicles. The wear resistance and stiffness of friction elements are provided.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до фрикційних композитних матеріалів для фрикційних елементів на основі 2 вуглець-вуглець (С/С), які застосовуються у гальмових пристроях, тобто до матеріалів з основою з волокон вуглецю.The invention relates to friction composite materials for friction elements based on 2 carbon-carbon (C/C), which are used in braking devices, that is, to materials with a base of carbon fibers.

Відомо композитний матеріал на основі вуглець-вуглець |див. патент КО-2201542-С2, 2003г.), обраний за прототип, який має основу з волокон вуглецю, укладених у декілька шарів і матрицю, яка містить фазу з піровутлецю, що обгортає волокна основи, і отриману хімічним осадженням з газової фази, жаростійку фазу з 70 вуглецю або кераміки, отриману піролізом попередника у рідкому стані, і фазу карбіду кремнію, отриману сіліціюванням. Композитний матеріал містить волокна вуглецю 15-35956 укладених у декілька шарів, фазу з піровуглецю 10-5595, фазу жаростійкого матеріалу 2-3096 з вуглецю або кераміки та карбіду кремнію 10-3595 отриману сіліційованням.A composite material based on carbon-carbon is known | see patent КО-2201542-С2, 2003) was chosen as a prototype that has a base of carbon fibers laid in several layers and a matrix containing a phase of pyrocarbons that wraps the fibers of the base and a heat-resistant phase obtained by chemical deposition from the gas phase of 70 carbon or ceramic obtained by pyrolysis of the precursor in the liquid state and the silicon carbide phase obtained by silicification. The composite material contains carbon fibers 15-35956 laid in several layers, a phase of pyrocarbon 10-5595, a phase of heat-resistant material 2-3096 of carbon or ceramics and silicon carbide 10-3595 obtained by silicification.

Недоліком відомого композитного матеріалу, в разі застосування його як фрикційного елемента, є недостатня 72 стабільність та величина коефіцієнта тертя в залежності від температури тертьових поверхонь, швидкості відносного ковзання, та питомого тиску між поверхнями тертя, висока абразивність та низька зносостійкість.The disadvantage of the known composite material, in the case of its use as a friction element, is insufficient stability and the value of the friction coefficient depending on the temperature of the friction surfaces, the speed of relative sliding, and the specific pressure between the friction surfaces, high abrasiveness and low wear resistance.

В основу винаходу поставлено задачу удосконалення композитного матеріалу на основі вуглець-вуглець для фрикційних елементів шляхом того, що до композитного матеріалу введено фазу аморфного бор/ до процесу ущільнення піровуглецем, що приведе до застосування цих матеріалів у гальмових системах спортивних автомобілів, гальмах залізничного транспорту, у легкових і вантажних автомобілях, які серійно випускаються, і на промисловому транспорті. При цьому композитний матеріал, в разі застосування його як фрикційного елемента, повинен мати стабільну і відтворювану ефективність гальмування незалежно від інтенсивності гальмування, високу зносостійкість, можливість роботи фрикційних елементів в контакті з різними матеріалами.The invention is based on the task of improving the composite material based on carbon-carbon for friction elements by introducing an amorphous boron phase to the composite material/ to the process of sealing with pyrocarbon, which will lead to the use of these materials in brake systems of sports cars, brakes of railway transport, in mass-produced cars and trucks, and industrial vehicles. At the same time, the composite material, if it is used as a friction element, should have stable and reproducible braking efficiency regardless of the intensity of braking, high wear resistance, and the possibility of friction elements working in contact with different materials.

Поставлена задача досягається тим, що композитний матеріал на основі вутлець-вуглець для фрикційних с елементів, який містить основу з волокон вуглецю, укладених у декілька шарів, і матрицю, яка містить фазу на ге) основі піровуглецю, одержану ущільненням вуглецевих волокон піровуглецем, і фазу карбіду кремнію, згідно винаходу додатково містить фазу, утворену введенням між шарами вуглецевих волокон порошку аморфного бору з субмікронним розміром часток до процесу ущільнення піровуглецем, та містить по об'єму 10-4095 волокон вуглецю, 10-50 96 фази на основі піровуглецю, 10-5090 фази, утвореної введенням між шарами вуглецевих - волокон порошку аморфного бору з субмікронним розміром часток до процесу ущільнення піровуглецем, 10-35 («аThe task is achieved by the fact that a carbon-carbon composite material for frictional elements, which contains a base of carbon fibers laid in several layers, and a matrix containing a phase on the basis of pyrocarbon, obtained by densification of carbon fibers with pyrocarbon, and a phase of silicon carbide, according to the invention, additionally contains a phase formed by the introduction between the layers of carbon fibers of amorphous boron powder with a submicron particle size before the pyrocarbon compaction process, and contains by volume 10-4095 carbon fibers, 10-50 96 phases based on pyrocarbon, 10- 5090 of the phase formed by the introduction between the layers of carbon fibers of amorphous boron powder with submicron particle size before the pyrocarbon compaction process, 10-35 («a

Фо фази карбіду кремнію.Fo phases of silicon carbide.

Основа виготовляється з матеріалу структури повсті або матеріалу з волокнами, такими як тканина, пряжа, с трикотаж, одно-направлено розташованими нитками, стренг або плетенням, подібно жилам кабелю, а також у с вигляді складних матеріалів, утворених безліччю шарів з різним напрямом взаємно перекриваючих волокон 3о вуглецю, між собою ці шари скріпляються полегшеною прошивкою. При виготовленні подібних матеріалів для со заготівок використовується ряд накладених друг на друга і скріплених між собою шарів вуглецевої тканини типу повсті і/або матеріалу з вуглецевими волокнами для отримання заготівки необхідної товщини.The base is made of a material with a felt structure or a material with fibers, such as fabric, yarn, knitwear, unidirectionally arranged threads, string or braiding, similar to the cores of a cable, and also in the form of complex materials formed by many layers with different directions mutually overlapping 3o carbon fibers, these layers are fastened to each other with a lightweight firmware. In the production of similar materials for CO blanks, a number of overlapping and bonded layers of carbon fabric such as felt and/or material with carbon fibers are used to obtain a blank of the required thickness.

Під фазою на основі піровуглецю треба розуміти фазу вуглецю, отриману у результаті піролізу при хімічному « осаджені з газової фази з використанням одного або цілого ряду джерел вуглецю, узятих у газовій фазі. 70 Під фазою, утвореним введенням між шарами вуглецевих волокон порошку аморфного бору з субмікронним о, с розміром часток до процесу ущільнення піровуглецем, треба розуміти включення і карбіду бору у вуглецевій з» матриці, отримані внаслідок хімічної реакції при ущільнені основи з волокон вуглецю, яка виникає між піровуглецем та доданим порошком аморфного бору.The phase based on pyrocarbon should be understood as the phase of carbon obtained as a result of pyrolysis during chemical "deposited from the gas phase using one or a number of carbon sources taken in the gas phase. 70 The phase formed by the introduction of amorphous boron powder between the layers of carbon fibers with a submicron particle size prior to the process of compaction with pyrocarbon should be understood as the inclusion of boron carbide in the carbon matrix obtained as a result of a chemical reaction during the compaction of the carbon fiber base, which occurs between pyrocarbon and added amorphous boron powder.

Під фазою карбіду кремнію треба розуміти включення у вуглецевій матриці, отримані при зануренні матеріалу у розплав рідкого кремнію, що приводить до хімічної реакції з П ровутлецем матриці з появою карбіду кремнію. со Модифікація основи вуглецевих волокон аморфним бором сприяє підвищенню зносостійкості і забезпечує ко композитному матеріалу підвищену жорсткість, що дозволяє використовувати фрикційні елементи у сполученні з різними матеріалами. Окрім того, присутність карбіду бор або аморфного бор- дозволяє підвищити ефективність ко роботи фрикційного матеріалу, особливо при малих температурах гальмування, і підвищує коефіцієнт тертя у б 20 середньому до значення 0,45.The phase of silicon carbide should be understood as inclusions in the carbon matrix, obtained when the material is immersed in a liquid silicon melt, which leads to a chemical reaction with the source of the matrix with the appearance of silicon carbide. Modification of the base of carbon fibers with amorphous boron contributes to increased wear resistance and provides increased rigidity to the composite material, which allows the use of friction elements in combination with various materials. In addition, the presence of boron carbide or amorphous boron allows to increase the efficiency of the friction material, especially at low braking temperatures, and increases the friction coefficient in b 20 to an average value of 0.45.

Фрикційні елементи, виготовлені з композитного матеріалу, який заявляється, можуть являти собою "і гальмовий диск або, по меншій мірі, накладку у конструкції гальмових пристроїв авіаційної техніки та гоночних автомобілів, а також в конструкції гальм залізничного рухомого складу, легкових і вантажних автомобілів, і на промисловому транспорті. 25 Композитний матеріал одержують наступним чином:Friction elements made of the claimed composite material can be "and a brake disk or, to a lesser extent, a lining in the design of braking devices of aircraft and racing cars, as well as in the design of brakes of railway rolling stock, cars and trucks, and on industrial transport 25 The composite material is obtained as follows:

Ге! - виготовлення заготовки основи з вуглецевого волокна та рівномірно розподіленого по всьому об'єму аморфного бору; ко - етап ущільнення заготовки фазою піровуглецю, отриманого хімічним осадженням з газової фази, при якій також з'являється фаза карбіду бору завдяки хімічної реакції між бором аморфним та осадженим піровуглецем у 60 процесі ущільнення піровуглецем; - етап утворення фази матриці з карбіду кремнію.Gee! - production of the base blank from carbon fiber and amorphous boron uniformly distributed throughout the volume; ko - the stage of compaction of the workpiece with the pyrocarbon phase obtained by chemical deposition from the gas phase, during which the boron carbide phase also appears due to the chemical reaction between amorphous boron and precipitated pyrocarbon in the pyrocarbon compaction process; - stage of formation of the silicon carbide matrix phase.

Заготовка композитного матеріалу для ущільнення піровуглецем виготовляться з декількох шарів вуглецевої тканини відповідним розміром. Кількість шарів зумовлена отриманням необхідної товщини кінцевої заготовки. Всі шари заготовки попередньо витримані у воді з додаванням 595 клею ПВА в продовж однієї доби. На перший шар бо викладеної у форму тканини масою 6,2 г наноситься 10 г змоченого порошку бору аморфного, який ретельно та рівномірно розподіляють по поверхні та об'єму вуглецевої тканини, після додається наступний шар вуглецевої тканини на яку наноситься наступний шар порошку бору аморфного. Ця операція повторюється декілька раз., поки не досягається потрібна товщина заготовки. Отримана кінцева заготовка прошивається у поперек Вуглецевими нитками з шагом 15Х15 мм та поміститься під прес для витримки протягом 24 годин. За цей час надлишкова вода виходить із заготовки. Таким чином отримана заготовка з 12 шарами вуглецевої тканини та 11 шарами бору аморфной) яка має ЗО структуру армування та масу 185гр.The composite material blank for sealing with pyrocarbon is made from several layers of carbon fabric of the appropriate size. The number of layers is determined by obtaining the required thickness of the final workpiece. All layers of the workpiece are pre-cured in water with the addition of 595 PVA glue for one day. 10 g of wet amorphous boron powder is applied to the first layer of the fabric laid out in the form, weighing 6.2 g, which is carefully and evenly distributed over the surface and volume of the carbon fabric, then the next layer of carbon fabric is added, on which the next layer of amorphous boron powder is applied. This operation is repeated several times until the required thickness of the workpiece is reached. The resulting final blank is sewn crosswise with carbon threads with a step of 15X15 mm and will be placed under the press for aging for 24 hours. During this time, excess water comes out of the workpiece. In this way, a workpiece with 12 layers of carbon fabric and 11 layers of amorphous boron) was obtained, which has a ZO structure of reinforcement and a weight of 185 g.

Для ущільнення заготовки піровуглецем використовується графітова оправка-нагрівач відповідного розміру.A graphite heater mandrel of the appropriate size is used to seal the workpiece with pyrocarbon.

Заготовка щільно притискаються до поверхні оправки-нагрівача та обмотуються двома шарами азбестової /о тканини.The workpiece is tightly pressed to the surface of the heater mandrel and wrapped with two layers of asbestos fabric.

Процес ущільнення здійснюється методом радіально рухомої зони піролізу. Температура у зоні піролізу дорівнює 1000 С, зону піролізу рухають зі швидкістю М-0,1...0,25мм/г.The compaction process is carried out by the method of a radially moving pyrolysis zone. The temperature in the pyrolysis zone is 1000 C, the pyrolysis zone is moved at a speed of М-0.1...0.25 mm/h.

Для запобігання можливим процесам окислення в об'ємі матеріалу які виникають в процесі роботи композиту необхідно закрити доступ кисню до внутрішнього об'єму матеріалу, що досягається заповненням пор, які 7/5 залишилися після процесу ущільнення піровуглецем, карбідом кремнію, отриманого зануренням матеріалу у розплав рідкого кремнію, що приводить до хімічної реакції з піровуглецем матриці з появою карбіду кремнію.To prevent possible oxidation processes in the volume of the material that occur during the work of the composite, it is necessary to close the access of oxygen to the internal volume of the material, which is achieved by filling the pores that 7/5 remained after the sealing process with pyrocarbon, silicon carbide, obtained by immersing the material in the melt of liquid silicon, which leads to a chemical reaction with pyrocarbon matrix with the appearance of silicon carbide.

Одержаний таким чином кінцевий матеріал обробляють алмазними дисками до отримання фрикційної накладки гальмового пристрою необхідних розмірів.The final material obtained in this way is processed with diamond discs to obtain a friction pad of the brake device of the required size.

Виготовлені таким чином фрикційні накладки для гальмового пристрою були випробувані на стенді для іспиту гальмових пристроїв.Friction linings for the brake device produced in this way were tested on the brake device test bench.

Claims

The formula of the invention Х , , Что , 0, с Carbon-carbon-based composite material for friction elements, which contains a base of carbon fibers laid in several layers, and a matrix that contains a phase based on pyrocarbon, obtained by densification o) carbon fibers with pyrocarbon , and the silicon carbide phase, which is distinguished by the fact that it additionally contains a phase formed by the introduction between the layers of carbon fibers of amorphous boron powder with a submicron particle size before the pyrocarbon compaction process, and contains by volume 10-40 956 carbon fibers, 10-50 906 phases on the basis of pyrocarbon, 10-50 95 of the phase formed by the introduction between the layers of carbon fibers of amorphous boron powder with a submicron particle size before the pyrocarbon compaction process, 10-35 95 of the silicon carbide phase. and e) Official Bulletin "Industrial Property". Book 1 "Inventions, useful models, topographies of integrated microcircuits", 2008, M 06, 25.03.2008. State Department of Intellectual Property of the Ministry of Education and Science of Ukraine. co

- and? so ko ko (22) that ko 60 b5