一種C/C?ZrC?SiC陶瓷基復合材料剎車盤及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種C/C?ZrC?SiC陶瓷基復合材料剎車盤及其制備方法，由C纖維、C基體、ZrC基體和SiC基體組成，其特征在于ZrC基體均勻分散在SiC基體中，ZrC基體的平均粒徑尺寸在100nm，是經過一次浸漬工藝同時得到兩種基體，基體的比例可調。將針刺C纖維預制體疊層制備增強結構，采用等溫化學氣相滲透工藝沉積熱解碳制備成C/C骨架，再通過有機先驅體聚碳硅烷和聚鋯硅烷的混合溶液液相浸漬裂解將ZrC基體和SiC基體引入到C/C骨架，最終完成C/C?ZrC?SiC陶瓷基復合材剎車盤的致密。該剎車盤材料具有強度高、耐高溫、摩擦磨損性能優良等特性。
【專利說明】
-種C/C-ZrC-S i C陶瓷基復合材料剎車盤及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種陶瓷基復合材料剎車盤及其制備方法，特別是設及一種C/C-ZrC- SiC陶瓷基復合材料剎車盤及其制備方法，是一種用ZrC、SiC對C/C復合材料剎車盤摩擦磨 損性能基體改性的方法。
【背景技術】
[0002] 摩擦材料主要用于車輛和動力機械制動與傳動，正從單一材料向復合材料發展， 其質量好壞直接影響機器的可靠性和操作人員的生命安全。高速列車因高速高能載而成為 摩擦制動材料發展的主要推動力，迄今為止，列車剎車閩片（閩瓦)材料從鑄鐵、合成材料、 粉末冶金材料發展到C/C和C/C-SiC復合材料。碳/碳(C/C)復合材料即碳纖維增強碳基體復 合材料，具有密度低、比熱容大、耐熱性良好，并且在高負荷下仍能保持優良的摩擦性能，使 制動裝置減輕等優點，已經在飛機剎車副上得到廣泛的應用。但C/C復合材料的制備周期 長、成本高、抗氧化性能差，濕態下摩擦因數不穩定、對環境(干凈、干燥）的要求較高，很難 在使用環境差的交通工具上大規模應用。
[0003] ZrC是一種難烙金屬碳化物，烙點達到3500°C，不僅表現出優異的耐溫性能和抗氧 化性能，而且是莫氏硬度高達8~9,是一種優良的耐磨材料，常用作C/C復合材料的改性劑。
[0004] 文獻"專利申請號是201310203824.4的中國發明專利"公開了一種用于高速動車 剎車盤的陶瓷基復合材料及其制備方法，該方法是W碳纖維編織或疊層形成具有高速動車 剎車盤形狀的織物結構，通過化學氣相沉積或者液相浸潰的方法合成C/C骨架，再通過化學 氣相沉積工藝得到梯度SiC基體。雖然運種方法制備的C/C-SiC復合材料因梯度SiC基體的 存在能夠有效緩解熱應力，抗熱震性得到顯著提高，同時也提高了C/C復合材料的抗氧化性 能，但是，運種工藝對SiC基體的梯度難W控制，基體成分單一。文獻"專利申請號是 201310412248.4的中國發明專利"公開了一種C/C-SiC-ZrC陶瓷基復合材料及其制備方法， 該方法是將C纖維編織或疊層制備增強結構，通過化學氣相滲透的方法沉積熱解碳，然后進 行高溫石墨化處理合成C/C骨架，再通過聚碳硅烷液相浸潰裂解引入SiC增密復合材料，然 后浸潰棚酪醒樹脂，高溫裂解形成C，通過烙滲法滲金屬錯，再進行高溫熱處理，得到C/C- SiC-ZrC陶瓷基復合材料。該方法引入兩種基體的步驟繁瑣，得到的基體分布不均勻，制備 過程中多次需要高溫處理，會對C/C復合材料造成一定損傷。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的旨在克服現有C/C復合材料W及C/SiC復合材料剎車盤制備技術的 缺陷，提供了一種C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤及其制造方法。
[0006] 本發明提供了一種C/C-化C-SiC陶瓷基復合材剎車盤的制備方法，包括下述順序 的步驟：
[0007] (1)將2D針刺碳纖維預制體疊層成具有剎車盤形狀的織物增強結構，C纖維體積分 數為40~45 %;
[0008] (2)采用ICVI工藝，w燒控類氣體為碳源，氮氣為稀釋氣體，在預制體內部制備出 高織構熱解碳基體。具體的工藝條件為:沉積溫度:900~950°C ;總壓:5~lOkPa;丙烷流量： 3~化/min;停留時間：<2秒；
[0009] (3)將有機先驅體聚碳硅烷和聚錯氧燒W及溶劑按照相應的比例配置成陶瓷先驅 體浸潰液；
[0010] (4)采用真空浸潰的工藝，將C/C復合材料巧體浸入化C-SiC復相陶瓷先驅體混合 溶液中，保持浸潰液溫度為50~60°C，真空度控制在1~2kPa，浸潰時間為2~4小時；
[0011] (5)將浸潰后的材料在烘箱中進行交聯固化處理:交聯溫度為12(TC，交聯時間為2 ~4小時，交聯氣氛為大氣環境；
[0012] (6)將交聯固化后的材料放入熱處理爐中進行陶瓷化處理:升溫速率為2~：rc/ min,熱處理溫度為1500~1700°C，保溫時間為2小時，熱處理氣氛為氣氣惰性氣氛；
[0013] (7)將裂解后的材料進行超聲清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0014] (8)將烘干后的材料重復步驟(4)、（5)、（6)、（7)，需進行多次PIP循環過程完成材 料的致密；
[0015] (9)將得到的復合材料進行加工處理，得到C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤。
[0016] 優選，所述的C纖維占剎車盤總體積的40~45%。優選，所述的C基體占剎車盤總體 積的8~16%。優選，所述的ZrC基體占剎車盤總體積的20~25%。優選，所述的SiC基體占剎 車盤總體積的25~35%。優選，在步驟(2)中所用的燒控為丙烷。優選，在步驟(6)中，熱處理 升溫速率為2~：rc/min,熱處理溫度為1500~1700°C，保溫時間為2小時，熱處理氣氛為氣 氣惰性氣氛。
[0017] 本發明根據上述方法，還提供一種C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材料剎車盤，其組成為 C纖維、C基體、ZrC基體和SiC基體，ZrC基體均勻分散在SiC基體中，ZrC基體的平均粒徑尺寸 在lOOnm，是經過一次性浸潰工藝同時得到兩種基體，基體的比例可調；所述的碳纖維所占 的體積分數為40~45%，C基體所占的體積分數為8~16%，ZrC基體所占的體積分數為20~ 25%，SiC基體所占體積分數為25~35%。
【附圖說明】
[0018] 圖1:本發明所制備的C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤流程圖
[0019] 圖2:本發明所制備的C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材料殺陣盤PIP過程密度變化曲線
[0020] 圖3:本發明所制備的C/C-ZrC-S i C陶瓷基復合材剎車盤試樣的X畑圖譜
[0021] 圖4:本發明所制備的C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤的背散射SEM形貌照片
【具體實施方式】
[0022] 下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解運些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定。
[0023] 對比例1
[0024] (1)將2D針刺碳纖維預制體疊層成具有剎車盤形狀的織物增強結構，C纖維體積分 數為40 % ;
[0025] (2)采用ICVI工藝，W丙烷為碳源，氮氣為稀釋氣體，在預制體內部制備出高織構 熱解碳基體。具體的工藝條件為:沉積溫度:900°C;總壓：10k化;丙烷流量:化/min;停留時 間：1秒；
[00%] (3)將有機先驅體聚碳硅烷和溶劑二甲苯按照1:1的比例配置成陶瓷先驅體浸潰 液；
[0027] (4)采用真空浸潰的工藝，將C/C復合材料巧體浸入SiC陶瓷先驅體混合溶液中，保 持浸潰液溫度為50°C，真空度控制在IkPa，浸潰時間為2小時；
[0028] (5)將浸潰后的材料在烘箱中進行交聯固化處理。交聯溫度為12(TC，交聯時間為2 小時，交聯氣氛為大氣環境；
[0029] (6)將交聯固化后的材料放入熱處理爐中進行陶瓷化處理。升溫速率為2°C/min， 熱處理溫度為1000°c，保溫時間為2小時，熱處理氣氛為氣氣惰性氣氛；
[0030] (7)將裂解后的材料進行超聲清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0031] (8)將烘干后的材料重復步驟(4)、（5)、（6)、（7)，共進行12次PIP循環過程完成材 料的致密；
[0032] (9)將得到的復合材料進行加工處理，得到C/C-SiC陶瓷基復合材剎車盤。
[0033] 對比例2
[0034] (1)將2D針刺碳纖維預制體疊層成具有剎車盤形狀的織物增強結構，C纖維體積分 數為45 % ;
[0035] (2)采用ICVI工藝，W丙烷為碳源，氮氣為稀釋氣體，在預制體內部制備出高織構 熱解碳基體。具體的工藝條件為:沉積溫度:900°C;總壓：10k化;丙烷流量:化/min;停留時 間：1秒；
[0036] (3)將有機先驅體聚碳硅烷溶劑二甲苯按照1:1的比例配置成陶瓷先驅體浸潰液；
[0037] (4)采用真空浸潰的工藝，將C/C復合材料巧體浸入SiC復相陶瓷先驅體混合溶液 中，保持浸潰液溫度為50°C，真空度控制在IkPa，浸潰時間為2小時；
[0038] (5)將浸潰后的材料在烘箱中進行交聯固化處理。交聯溫度為12(TC，交聯時間為2 小時，交聯氣氛為大氣環境；
[0039] (6)將交聯固化后的材料放入熱處理爐中進行陶瓷化處理。升溫速率為2°C/min， 熱處理溫度為1000°c，保溫時間為2小時，熱處理氣氛為氣氣惰性氣氛；
[0040] (7)將裂解后的材料進行超聲清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0041] (8)將烘干后的材料重復步驟(4)、（5)、（6)、（7)，共進行12次PIP循環過程完成材 料的致密；
[0042] (9)將得到的復合材料進行加工處理，得到C/C-SiC陶瓷基復合材剎車盤。
[0043] 實施例1
[0044] 一種本發明的C/C-化C-SiC陶瓷基復合材剎車盤，其組成為C纖維、C基體、ZrC基體 和SiC基體。其特征在于化C基體均勻分散在SiC基體中，ZrC基體的平均粒徑尺寸在lOOnm， 是經過一次浸潰工藝同時得到兩種基體，基體的比例可調。所述的C纖維所占的體積分數為 40 %，C基體所占的體積分數為10 %，ZrC基體所占的體積分數為20 %，SiC基體所占的體積 分數為30 %。
[0045] 上述C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤具體由W下步驟制備得到：
[0046] (1)將2D針刺碳纖維預制體疊層成具有剎車盤形狀的織物增強結構，C纖維體積分 數為40 % ;
[0047] (2)采用ICVI工藝，W丙烷為碳源，氮氣為稀釋氣體，在預制體內部制備出高織構 熱解碳基體。具體的工藝條件為:沉積溫度:900°C;總壓：10k化;丙烷流量:化/min;停留時 間：1秒；
[004引（3)將有機先驅體聚碳硅烷和聚錯氧燒W及溶劑二甲苯按照3:2:5的比例配置成 復相陶瓷先驅體浸潰液；
[0049] (4)采用真空浸潰的工藝，將C/C復合材料巧體浸入化C-SiC復相陶瓷先驅體混合 溶液中，保持浸潰液溫度為50°C，真空度控制在IkPa，浸潰時間為2小時；
[0050] (5)將浸潰后的材料在烘箱中進行交聯固化處理。交聯溫度為12(TC，交聯時間為2 小時，交聯氣氛為大氣環境；
[0051] (6)將交聯固化后的材料放入熱處理爐中進行陶瓷化處理。升溫速率為2°C/min， 熱處理溫度為1500°C，保溫時間為2小時，熱處理氣氛為氣氣惰性氣氛；
[0052] (7)將裂解后的材料進行超聲清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0053] (8)將烘干后的材料重復步驟(4)、（5)、（6)、（7)，共進行12次PIP循環過程完成材 料的致密；
[0054] (9)將得到的復合材料進行加工處理，得到C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤。 [0化5] 實施例2
[0化6] -種本發明的C/C-化C-SiC陶瓷基復合材剎車盤，其組成為C纖維、C基體、ZrC基體 和SiC基體。其特征在于化C基體均勻分散在SiC基體中，ZrC基體的平均粒徑尺寸在lOOnm， 是經過一次浸潰工藝同時得到兩種基體，基體的比例可調。所述的C纖維所占的體積分數為 45 %，C基體所占的體積分數為10 %，ZrC基體所占的體積分數為20 %，SiC基體所占的體積 分數為25 %。
[0057] 上述C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤具體由W下步驟制備得到：
[0058] (1)將2D針刺碳纖維預制體疊層成具有剎車盤形狀的織物增強結構，C纖維體積分 數為45 % ;
[0059] (2)采用ICVI工藝，W丙烷為碳源，氮氣為稀釋氣體，在預制體內部制備出高織構 熱解碳基體。具體的工藝條件為:沉積溫度:950°C;總壓：10k化;丙烷流量:3L/min;停留時 間：1秒；
[0060] (3)將有機先驅體聚碳硅烷和聚錯氧燒W及溶劑二甲苯按照5:4:9的比例配置成 復相陶瓷先驅體浸潰液；
[0061] (4)采用真空浸潰的工藝，將C/C復合材料巧體浸入化C-SiC復相陶瓷先驅體混合 溶液中，保持浸潰液溫度為50°C，真空度控制在IkPa，浸潰時間為2小時；
[0062] (5)將浸潰后的材料在烘箱中進行交聯固化處理。交聯溫度為12(TC，交聯時間為2 小時，交聯氣氛為大氣環境；
[0063] (6)將交聯固化后的材料放入熱處理爐中進行陶瓷化處理。升溫速率為2°C/min， 熱處理溫度為1500°C，保溫時間為2小時，熱處理氣氛為氣氣惰性氣氛；
[0064] (7)將裂解后的材料進行超聲清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0065] (8)將烘干后的材料重復步驟(4)、（5)、（6)、（7)，共進行12次PIP循環過程完成材 料的致密；
[0066] (9)將得到的復合材料進行加工處理，得到C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤。
[0067] 實施例3
[0068] 一種本發明的C/C-化C-SiC陶瓷基復合材剎車盤，其組成為C纖維、C基體、ZrC基體 和SiC基體。其特征在于化C基體均勻分散在SiC基體中，ZrC基體的平均粒徑尺寸在lOOnm， 是經過一次浸潰工藝同時得到兩種基體，基體的比例可調。所述的C纖維所占的體積分數為 40 %，C基體所占的體積分數為15 %，ZrC基體所占的體積分數為25 %，SiC基體所占的體積 分數為20 %。
[0069] 上述C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤具體由W下步驟制備得到：
[0070] (1)將2D針刺碳纖維預制體疊層成具有剎車盤形狀的織物增強結構，C纖維體積分 數為40 % ;
[0071] (2)采用ICVI工藝，W丙烷為碳源，氮氣為稀釋氣體，在預制體內部制備出高織構 熱解碳基體。具體的工藝條件為:沉積溫度:900°C;總壓：10k化;丙烷流量:化/min;停留時 間：1秒；
[0072] (3)將有機先驅體聚碳硅烷和聚錯氧燒W及溶劑二甲苯按照4:5:9的比例配置成 復相陶瓷先驅體浸潰液；
[0073] (4)采用真空浸潰的工藝，將C/C復合材料巧體浸入化C-SiC復相陶瓷先驅體混合 溶液中，保持浸潰液溫度為50°C，真空度控制在IkPa，浸潰時間為2小時；
[0074] (5)將浸潰后的材料在烘箱中進行交聯固化處理。交聯溫度為12(TC，交聯時間為2 小時，交聯氣氛為大氣環境；
[0075] (6)將交聯固化后的材料放入熱處理爐中進行陶瓷化處理。升溫速率為2°C/min， 熱處理溫度為1500°C，保溫時間為2小時，熱處理氣氛為氣氣惰性氣氛；
[0076] (7)將裂解后的材料進行超聲清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0077] (8)將烘干后的材料重復步驟(4)、（5)、（6)、（7)，共進行12次PIP循環過程完成材 料的致密；
[0078] (9)將得到的復合材料進行加工處理，得到C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤。
[0079] W上對比例和實施例所得剎車盤樣品采用MM-1000摩擦試驗機測試動摩擦系數和 磨損率(慣量為3.8kgf · cm · S2,比壓為lOON/cm2,線速度為25m/s，模擬飛機正常剎車試 驗）。測試結果見下表。
[0080] 表1不同組分的剎車盤性能測試結果
[0081]
[0082]由表1可W看出本發明制備的C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤密度高于C/C-SiC 陶瓷基復合材剎車盤，磨損率低于C/C-SiC陶瓷基復合材剎車盤，干態摩擦系數稍高于C/C- SiC陶瓷基復合材剎車盤，最大的改變在于，相比于干摩擦試驗，在濕態摩擦測試中，C/C- ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤摩擦系數有小幅提升，該結果優于傳統C/C復合材料剎車盤和 碳-陶雙基體復合材料剎車盤。
【主權項】
1. 一種C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材料剎車盤的制備方法，其特征在于，所述剎車盤由C 纖維、C基體、ZrC基體和S i C基體組成，ZrC基體均勻分散在S i C基體中，ZrC基體的平均粒徑 尺寸為lOOnm，經過一次浸漬同時得到兩種基體ZrC基體和SiC基體，ZrC基體和SiC基體的比 例可調;所述方法包括如下步驟： (1) 將2D針刺碳纖維預制體疊層成具有剎車盤形狀的織物增強結構； (2) 采用ICVI工藝，以烷烴類氣體為碳源，氮氣為稀釋氣體，在預制體內部制備出高織 構熱解碳基體;具體的工藝條件為:沉積溫度:900~950°C ;總壓：5~lOkPa;丙烷流量:3~ 5L/min;停留時間：<2秒。 (3) 將有機先驅體聚碳硅烷和聚鋯氧烷以及溶劑二甲苯按照不同比例配置成復相陶瓷 先驅體浸漬液。 (4) 采用真空浸漬的工藝，將C/C復合材料坯體浸入ZrC-SiC復相陶瓷先驅體混合溶液 中，保持浸漬液溫度為50~60°C，真空度控制在1~2kPa，浸漬時間為2~4小時。 (5) 將浸漬后的材料在烘箱中進行交聯固化處理:交聯溫度為120°C，交聯時間為2~4 小時，交聯氣氛為大氣環境。 (6) 將交聯固化后的材料放入熱處理爐中進行陶瓷化處理。 (7) 將裂解后的材料進行超聲清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱60°C烘干； (8) 將烘干后的材料重復步驟(4)、（5)、（6)、（7)，需進行多次PIP循環過程完成材料的 致密； (9) 將得到的復合材料進行加工處理，得到C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的C纖維占剎車盤總體積的40~45%。3. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述的C基體占剎車盤總體積的8~16%。4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述的ZrC基體占剎車盤總體積的20~ 25% 〇5. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述的SiC基體占剎車盤總體積的25~ 35%〇6. 根據權利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟(2)中所用的烷烴為丙烷。7. 根據權利要求6所述方法，其特征在于，在步驟(6)中，熱處理升溫速率為2~：TC/ min，熱處理溫度為1500~1700°C，保溫時間為2小時，熱處理氣氛為氬氣惰性氣氛。8. 根據權利要求1-7任一項所述的方法制備得到的C/C-ZrC-SiC陶瓷基復合材剎車盤， 其特征在于，所述剎車盤由C纖維、C基體、ZrC基體和SiC基體組成，ZrC基體均勻分散在SiC 基體中，ZrC基體的平均粒徑尺寸為100nm，經過一次浸漬同時得到兩種基體ZrC基體和SiC 基體，ZrC基體和S i C基體的比例可調。
【文檔編號】C04B35/56GK106083114SQ201610392206
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月3日 公開號201610392206.2, CN 106083114 A, CN 106083114A, CN 201610392206, CN-A-106083114, CN106083114 A, CN106083114A, CN201610392206, CN201610392206.2
【發明人】王超, 田秀梅, 馬小民, 何立軍, 張博, 馬曉東
【申請人】蘇州賽力菲陶纖有限公司