阅读说明：本技术 一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法 (Preparation method of carbon/ceramic brake disc with pure ceramic layer on surface ) 是由 史云强 杨川 何留阳 刘汝强 李宗乐 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法,属于碳纤维增强陶瓷基复合材料制备工艺技术领域,通过化学气相沉积、热压固化结合反应熔体渗透工艺,通过碳纤维胎网结合碳化硅粉和炭粉经树脂混合热压后通过渗硅工艺制备表面含纯陶瓷层的碳/陶刹车盘,起到覆盖保护盘面碳纤维和基体的作用,解决盘面碳纤维和碳基体的氧化问题,提高碳/陶刹车盘的制动性能。(The invention relates to a preparation method of a carbon/ceramic brake disc with a pure ceramic layer on the surface, belonging to the technical field of preparation processes of carbon fiber reinforced ceramic matrix composite materials.)

一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法

技术领域

本发明涉及一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，是一种采用化学气相渗透、热压固化结合反应熔体浸渗制备汽车碳/陶刹车盘的方法，属于碳纤维增强陶瓷基复合材料制备工艺技术领域。

背景技术

碳/陶复合材料克服了单一纯陶瓷材料容易脆性断裂的缺点，拥有更高的断裂韧性(对瞬间断裂的抵抗特性)，材料的强度更高，抗热震性能更好。20世纪90年代中期，碳/陶复合材料开始应用于摩擦领域，德国宇航局于率先2002年研制了保时捷的碳/陶刹车盘，具有质量轻、耐高温、制动性能好等多方面的优势。

目前碳/陶刹车盘的生产工艺主要分为短纤模压和长纤编织两种。但是，不论是短纤模压的碳/陶刹车盘还是长纤编织的碳/陶刹车盘均存在摩擦界面纤维和基体裸露的缺点，导致在制动过程中，摩擦界面的碳纤维和碳基体由于氧化而存在剥落的现象，影响制动盘的摩擦磨损性能，容易由于制动盘各处的厚薄差不一致而造成制动抖动和噪音现象。

因此提高碳/陶刹车盘摩擦界面的抗氧化性能，避免由于纤维和基体的裸露所造成的盘面氧化剥落现象对提高碳/陶刹车盘的制动性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，通过化学气相沉积、热压固化结合反应熔体渗透工艺，通过碳纤维胎网结合碳化硅粉和炭粉经树脂混合热压后通过渗硅工艺制备表面含纯陶瓷层的碳/陶刹车盘，起到覆盖保护盘面碳纤维和基体的作用，解决盘面碳纤维和碳基体的氧化问题，提高碳/陶刹车盘的制动性能。

本发明的技术方案如下：

一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，步骤如下：

步骤1：制备碳纤维预制体；

步骤2：化学气相沉积

将碳纤维预制体高温热处理后通过化学气相渗透CVI沉积热解碳，得到密度为1.0g/cm³-1.4g/cm³的碳/碳复合材料；

步骤3：胎网浸渍

将胎网浸渍含有碳粉和碳化硅粉的浸渍浆料；

步骤4：热压成型

将步骤2得到的碳/碳复合材料和步骤3得到的浸渍后的胎网经热压形成一个整体；

步骤5：将步骤4所得的复合材料整体进行渗硅处理，反应熔体为硅或硅合金，获得密度为1.9g/cm³-3.0g/cm³具有表面纯陶瓷层的碳/碳-碳化硅复合材料。

优选的，步骤1所用碳纤维预制体类型为二维平纹布编织或三维编织，碳纤维预制体呈圆环状，外径为200mm-800mm，内径为100mm-200mm，厚度为20mm-100mm；碳纤维预制体密度约为0.45g/cm3，碳纤维的体积含量约为40vol.％，层密度为14层/(10mm)。

优选的，步骤2中，碳纤维预制体高温热处理的热处理温度为2100-2600℃，保温时间4-6h，处理气氛为Ar气。

优选的，步骤2中，沉积温度为900℃-1100℃，沉积时间为200-400h，先驱体为CH₄和C₃H₈。

优选的，步骤3所用的胎网采用三维针刺预制体，外径为200mm-800mm，内径为100mm-200mm，厚度为2mm-3mm，密度为0.16-0.20g/cm³，胎网的外径、内径尺寸与步骤1中碳纤维预制体的尺寸相同；胎网为多次循环铺层针刺获得，针刺孔密度为10-12个/cm²，层密度为14层/(10mm)。

碳纤维预制体和胎网采用的碳纤维牌号为T700。

优选的，步骤3中，浸渍时，将胎网放入浸渍罐中，抽真空至-0.96MPa，导入浸渍浆料，通过空气加压，浸渍压力为1-3MPa，浸渍时间为1-2h，完成浸渍后取出，在烘箱中40-60℃烘干。

优选的，步骤3所用浸渍浆料的为酚醛树脂溶液混合碳粉和SiC粉，酚醛树脂溶液由酚醛树脂和酒精混合而成，混合质量比为酚醛树脂：酒精＝1:10；然后加入质量为溶液质量1％的六次甲基四氨作为固化剂，球磨混合48h；然后将上述酚醛树脂溶液中加入碳粉和碳化硅粉，酚醛树脂溶液、碳粉和碳化硅粉的混合质量比为50％:(30％-20％):(20％-30％)；球磨混合48h得到浸渍浆料。

步骤3通过在胎网中浸渍含碳粉和碳化硅粉的浆料，碳化硅粉和碳粉通过酚醛树脂均匀的悬挂于胎网的纤维上，步骤4通过热压将上述浸渍后的胎网与碳/碳复合材料结合在一起。采用上述步骤制备得到纯陶瓷预备层，提高了陶瓷层物相的均匀性和整体性，降低了材料各物相间的热失配效应。

优选的，步骤4中，步骤1得到的碳/碳复合材料的上下两面均设置步骤2得到的浸渍后的胎网进行热压成型。

优选的，步骤4中，热压温度为160-180℃，时间为0.5-1h，压力为3MPa-5MPa。

优选的，步骤5中，渗硅处理的反应温度为1200℃-1900℃，保温时间0.5h-4h，随炉自然冷却至室温。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，通过化学气相沉积、热压固化结合反应熔体渗透工艺，通过碳纤维胎网结合碳化硅粉和碳粉经树脂混合热压后通过渗硅工艺制备表面含纯陶瓷层的碳/陶刹车盘，主要优点在于：1.采用了模压和编织沉积相结合的办法，在制备纯陶瓷层的同时，保证了材料内部基体的力学性能；2.以反应熔体渗透的方式进行渗硅，纯陶瓷层的制备和基体陶瓷的制备可同时进行，工艺过程更加简单快捷，降低了生产周期和工艺成本；3.利用胎网浸渍碳粉和碳化硅粉热压后渗硅原位反应生成碳化硅纯陶瓷层，缓解了制备过程中产生的热应力，防止基体层开裂，提高了基体间的结合性能；4.表面纯陶瓷层起到覆盖保护盘面碳纤维和基体的作用，解决盘面碳纤维和碳基体的氧化问题，提高碳/陶刹车盘的制动性能。

附图说明

图1为本发明步骤4中热压层结构示意图；

其中：1、胎网(碳+碳化硅)，2、碳/碳复合材料。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，步骤如下：

步骤1，碳纤维预制体的制备

首先将牌号为T700的碳纤维制成短纤维胎网和无纬布，然后将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环铺层，然后利用棱边带下倒钩刺的针对无纬布和胎网进行针刺。倒钩刺在针刺过程中将胎网层纤维带向垂直方向，使无纬布和胎网连成一体，针刺孔密度为10个/cm2。根据需要的厚度，经反复叠层、针刺后得到三维针刺碳纤维预制体。预制体密度约为0.45g/cm3，碳纤维的体积含量约为40vol.％，层密度约为14层/(10mm)。上述编织的预制体呈圆环状，尺寸为外径*内径*厚度＝392*148*40mm。

步骤2，化学气相沉积

将得到的碳纤维预制体进行高温热处理，热处理温度为2100℃，保温时间4h，处理气氛为Ar气。然后，通过化学气相渗透CVI沉积热解碳，沉积温度为1000℃，沉积时间300h，先驱体为CH₄和C₃H₈，得到密度为1.2g/cm³的碳/碳复合材料。

步骤3：胎网浸渍

热压所需胎网为多次循环铺层针刺获得，针刺孔密度为10个/cm²，层密度约为14层/(10mm)，厚度为3mm，内外径大小与预制体圆环一致。

将酚醛树脂和酒精配置混合溶液，酚醛树脂和酒精的质量比为1:10，加入质量为溶液质量1％的六次甲基四氨作为固化剂，球磨混合48h，在上述溶液中加入碳粉和碳化硅粉，酚醛树脂溶液、碳粉和碳化硅粉的混合质量比为50％:30％:20％，球磨混合48h得到混合浆料。

将密度为0.18g/cm³，厚度为3mm的胎网浸渍浆料。浸渍时，将胎网放入浸渍罐中，抽真空至-0.96MPa，导入浸渍浆料，通过空气加压，浸渍压力为1MPa，浸渍时间为1h，完成浸渍后取出，在烘箱中40℃烘干。

步骤4：热压成型

将步骤2得到的碳/碳复合材料和步骤3浸渍后的胎网热压形成一个整体，如图1所示，在碳/碳复合材料的上下两面均设置浸渍后的胎网，热压温度为180℃，时间为1h，压力为5MPa。

步骤5：将步骤4所得的复合材料整体进行渗硅处理，反应熔体为硅，反应温度为1600℃，保温时间1h，随炉自然冷却至室温，获得密度为2.3g/cm³具有表面纯陶瓷层的碳/碳-碳化硅复合材料。

实施例2：

一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，步骤如下：

步骤1，碳纤维预制体的制备

首先将牌号为T700的碳纤维制成短纤维胎网和无纬布，然后将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环铺层，然后利用棱边带下倒钩刺的针对无纬布和胎网进行针刺。倒钩刺在针刺过程中将胎网层纤维带向垂直方向，使无纬布和胎网连成一体，针刺孔密度为10个/cm2。根据需要的厚度，经反复叠层、针刺后得到三维针刺碳纤维预制体。预制体密度约为0.45g/cm3，碳纤维的体积含量约为40vol.％，层密度约为14层/(10mm)。上述编织的预制体呈圆环状，尺寸为外径*内径*厚度＝392*148*40mm。

步骤2，化学气相沉积

将得到的碳纤维预制体进行高温热处理，热处理温度为2600℃，保温时间6h，处理气氛为Ar气。然后，通过化学气相渗透CVI沉积热解碳，沉积温度为1100℃，沉积时间400h，先驱体为CH₄和C₃H₈，得到密度为1.4g/cm³的碳/碳复合材料。

步骤3：胎网浸渍

热压所需胎网为多次循环铺层针刺获得，针刺孔密度为12个/cm²，层密度约为14层/(10mm)，厚度为2mm，内外径大小与预制体圆环一致。

将酚醛树脂和酒精配置混合溶液，酚醛树脂和酒精的质量比为1:10，加入质量为溶液质量1％的六次甲基四氨作为固化剂，球磨混合48h，在上述溶液中加入碳粉和碳化硅粉，酚醛树脂溶液、碳粉和碳化硅粉的混合质量比为50％:25％:25％，球磨混合48h得到混合浆料。

将密度为0.20g/cm³，厚度为2mm的胎网浸渍浆料。浸渍时，将胎网放入浸渍罐中，抽真空至-0.96MPa，导入浸渍浆料，通过空气加压，浸渍压力为2MPa，浸渍时间为1.5h，完成浸渍后取出，在烘箱中50℃烘干。

步骤4：热压成型

将步骤2得到的碳/碳复合材料和步骤3浸渍后的胎网热压形成一个整体，如图1所示，在碳/碳复合材料的上下两面均设置浸渍后的胎网，热压温度为170℃，时间为1h，压力为4MPa。

步骤5：将步骤4所得的复合材料整体进行渗硅处理，反应熔体为硅铁合金，反应温度为1500℃，保温时间1h，随炉自然冷却至室温，获得密度为2.4g/cm³具有表面纯陶瓷层的碳/碳-碳化硅复合材料。

实施例3：

一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤2中，化学气相渗透CVI沉积热解碳，沉积温度为900℃，沉积时间200h，先驱体为CH₄和C₃H₈，得到碳/碳复合材料。

实施例4：

一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤3中，将酚醛树脂和酒精配置混合溶液，酚醛树脂和酒精的质量比为1:10，加入质量为溶液质量1％的六次甲基四氨作为固化剂，球磨混合48h，在上述溶液中加入碳粉和碳化硅粉，酚醛树脂溶液、碳粉和碳化硅粉的混合质量比为50％:20％:30％，球磨混合48h得到混合浆料。

实施例5：

一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤3中，将密度为0.16g/cm³，厚度为3mm的胎网浸渍浆料。浸渍时，将胎网放入浸渍罐中，抽真空至-0.96MPa，导入浸渍浆料，通过空气加压，浸渍压力为3MPa，浸渍时间为2h，完成浸渍后取出，在烘箱中60℃烘干。

实施例6：

一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤4中，将步骤2得到的碳/碳复合材料和步骤3浸渍后的胎网热压形成一个整体，在碳/碳复合材料的上下两面均设置浸渍后的胎网，热压温度为160℃，时间为0.5h，压力为3MPa。

实施例7：

一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤5中，将步骤4所得的复合材料整体进行渗硅处理，反应熔体为硅合金，反应温度为1200℃，保温时间4h，随炉自然冷却至室温，获得具有表面纯陶瓷层的碳/碳-碳化硅复合材料。

实施例8：

一种表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤5中，将步骤4所得的复合材料整体进行渗硅处理，反应熔体为硅，反应温度为1900℃，保温时间1h，随炉自然冷却至室温，获得具有表面纯陶瓷层的碳/碳-碳化硅复合材料。

实验例

根据实施例1所述方法步骤制得的表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘，与现有普通碳/陶刹车盘相比，如表1所示，表面纯陶瓷层碳/陶刹车盘制动时摩擦系数更高，制动效能更大，刹车距离更短；磨损率更低，刹车盘陶瓷层表面几乎无氧化磨损现象产生，使用寿命相较于普通碳/陶刹车盘具有明显提高。

表1 SAE J2522台架测试性能数据对比

	纯陶瓷层碳/陶	普通碳/陶
			摩擦系数	0.5	0.45
磨损率μm	＜0.01	0.03