一种C/C?ZrC?SiC陶瓷基复合材料刹车盘及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种C/C?ZrC?SiC陶瓷基复合材料刹车盘及其制备方法，由C纤维、C基体、ZrC基体和SiC基体组成，其特征在于ZrC基体均匀分散在SiC基体中，ZrC基体的平均粒径尺寸在100nm，是经过一次浸渍工艺同时得到两种基体，基体的比例可调。将针刺C纤维预制体叠层制备增强结构，采用等温化学气相渗透工艺沉积热解碳制备成C/C骨架，再通过有机先驱体聚碳硅烷和聚锆硅烷的混合溶液液相浸渍裂解将ZrC基体和SiC基体引入到C/C骨架，最终完成C/C?ZrC?SiC陶瓷基复合材刹车盘的致密。该刹车盘材料具有强度高、耐高温、摩擦磨损性能优良等特性。
【专利说明】
-种C/C-ZrC-S i C陶瓷基复合材料刹车盘及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种陶瓷基复合材料刹车盘及其制备方法，特别是设及一种C/C-ZrC- SiC陶瓷基复合材料刹车盘及其制备方法，是一种用ZrC、SiC对C/C复合材料刹车盘摩擦磨 损性能基体改性的方法。
【背景技术】
[0002] 摩擦材料主要用于车辆和动力机械制动与传动，正从单一材料向复合材料发展， 其质量好坏直接影响机器的可靠性和操作人员的生命安全。高速列车因高速高能载而成为 摩擦制动材料发展的主要推动力，迄今为止，列车刹车闽片（闽瓦)材料从铸铁、合成材料、 粉末冶金材料发展到C/C和C/C-SiC复合材料。碳/碳(C/C)复合材料即碳纤维增强碳基体复 合材料，具有密度低、比热容大、耐热性良好，并且在高负荷下仍能保持优良的摩擦性能，使 制动装置减轻等优点，已经在飞机刹车副上得到广泛的应用。但C/C复合材料的制备周期 长、成本高、抗氧化性能差，湿态下摩擦因数不稳定、对环境(干净、干燥）的要求较高，很难 在使用环境差的交通工具上大规模应用。
[0003] ZrC是一种难烙金属碳化物，烙点达到3500°C，不仅表现出优异的耐溫性能和抗氧 化性能，而且是莫氏硬度高达8~9,是一种优良的耐磨材料，常用作C/C复合材料的改性剂。
[0004] 文献"专利申请号是201310203824.4的中国发明专利"公开了一种用于高速动车 刹车盘的陶瓷基复合材料及其制备方法，该方法是W碳纤维编织或叠层形成具有高速动车 刹车盘形状的织物结构，通过化学气相沉积或者液相浸溃的方法合成C/C骨架，再通过化学 气相沉积工艺得到梯度SiC基体。虽然运种方法制备的C/C-SiC复合材料因梯度SiC基体的 存在能够有效缓解热应力，抗热震性得到显著提高，同时也提高了C/C复合材料的抗氧化性 能，但是，运种工艺对SiC基体的梯度难W控制，基体成分单一。文献"专利申请号是 201310412248.4的中国发明专利"公开了一种C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料及其制备方法， 该方法是将C纤维编织或叠层制备增强结构，通过化学气相渗透的方法沉积热解碳，然后进 行高溫石墨化处理合成C/C骨架，再通过聚碳硅烷液相浸溃裂解引入SiC增密复合材料，然 后浸溃棚酪醒树脂，高溫裂解形成C，通过烙渗法渗金属错，再进行高溫热处理，得到C/C- SiC-ZrC陶瓷基复合材料。该方法引入两种基体的步骤繁琐，得到的基体分布不均匀，制备 过程中多次需要高溫处理，会对C/C复合材料造成一定损伤。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的旨在克服现有C/C复合材料W及C/SiC复合材料刹车盘制备技术的 缺陷，提供了一种C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘及其制造方法。
[0006] 本发明提供了一种C/C-化C-SiC陶瓷基复合材刹车盘的制备方法，包括下述顺序 的步骤：
[0007] (1)将2D针刺碳纤维预制体叠层成具有刹车盘形状的织物增强结构，C纤维体积分 数为40~45 %;
[0008] (2)采用ICVI工艺，w烧控类气体为碳源，氮气为稀释气体，在预制体内部制备出 高织构热解碳基体。具体的工艺条件为:沉积溫度:900~950°C ;总压:5~lOkPa;丙烷流量： 3~化/min;停留时间：<2秒；
[0009] (3)将有机先驱体聚碳硅烷和聚错氧烧W及溶剂按照相应的比例配置成陶瓷先驱 体浸溃液；
[0010] (4)采用真空浸溃的工艺，将C/C复合材料巧体浸入化C-SiC复相陶瓷先驱体混合 溶液中，保持浸溃液溫度为50~60°C，真空度控制在1~2kPa，浸溃时间为2~4小时；
[0011] (5)将浸溃后的材料在烘箱中进行交联固化处理:交联溫度为12(TC，交联时间为2 ~4小时，交联气氛为大气环境；
[0012] (6)将交联固化后的材料放入热处理炉中进行陶瓷化处理:升溫速率为2~：rc/ min,热处理溫度为1500~1700°C，保溫时间为2小时，热处理气氛为氣气惰性气氛；
[0013] (7)将裂解后的材料进行超声清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0014] (8)将烘干后的材料重复步骤(4)、（5)、（6)、（7)，需进行多次PIP循环过程完成材 料的致密；
[0015] (9)将得到的复合材料进行加工处理，得到C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘。
[0016] 优选，所述的C纤维占刹车盘总体积的40~45%。优选，所述的C基体占刹车盘总体 积的8~16%。优选，所述的ZrC基体占刹车盘总体积的20~25%。优选，所述的SiC基体占刹 车盘总体积的25~35%。优选，在步骤(2)中所用的烧控为丙烷。优选，在步骤(6)中，热处理 升溫速率为2~：rc/min,热处理溫度为1500~1700°C，保溫时间为2小时，热处理气氛为氣 气惰性气氛。
[0017] 本发明根据上述方法，还提供一种C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材料刹车盘，其组成为 C纤维、C基体、ZrC基体和SiC基体，ZrC基体均匀分散在SiC基体中，ZrC基体的平均粒径尺寸 在lOOnm，是经过一次性浸溃工艺同时得到两种基体，基体的比例可调；所述的碳纤维所占 的体积分数为40~45%，C基体所占的体积分数为8~16%，ZrC基体所占的体积分数为20~ 25%，SiC基体所占体积分数为25~35%。
【附图说明】
[0018] 图1:本发明所制备的C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘流程图
[0019] 图2:本发明所制备的C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材料杀阵盘PIP过程密度变化曲线
[0020] 图3:本发明所制备的C/C-ZrC-S i C陶瓷基复合材刹车盘试样的X畑图谱
[0021] 图4:本发明所制备的C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘的背散射SEM形貌照片
【具体实施方式】
[0022] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解运些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
[0023] 对比例1
[0024] (1)将2D针刺碳纤维预制体叠层成具有刹车盘形状的织物增强结构，C纤维体积分 数为40 % ;
[0025] (2)采用ICVI工艺，W丙烷为碳源，氮气为稀释气体，在预制体内部制备出高织构 热解碳基体。具体的工艺条件为:沉积溫度:900°C;总压：10k化;丙烷流量:化/min;停留时 间：1秒；
[00%] (3)将有机先驱体聚碳硅烷和溶剂二甲苯按照1:1的比例配置成陶瓷先驱体浸溃 液；
[0027] (4)采用真空浸溃的工艺，将C/C复合材料巧体浸入SiC陶瓷先驱体混合溶液中，保 持浸溃液溫度为50°C，真空度控制在IkPa，浸溃时间为2小时；
[0028] (5)将浸溃后的材料在烘箱中进行交联固化处理。交联溫度为12(TC，交联时间为2 小时，交联气氛为大气环境；
[0029] (6)将交联固化后的材料放入热处理炉中进行陶瓷化处理。升溫速率为2°C/min， 热处理溫度为1000°c，保溫时间为2小时，热处理气氛为氣气惰性气氛；
[0030] (7)将裂解后的材料进行超声清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0031] (8)将烘干后的材料重复步骤(4)、（5)、（6)、（7)，共进行12次PIP循环过程完成材 料的致密；
[0032] (9)将得到的复合材料进行加工处理，得到C/C-SiC陶瓷基复合材刹车盘。
[0033] 对比例2
[0034] (1)将2D针刺碳纤维预制体叠层成具有刹车盘形状的织物增强结构，C纤维体积分 数为45 % ;
[0035] (2)采用ICVI工艺，W丙烷为碳源，氮气为稀释气体，在预制体内部制备出高织构 热解碳基体。具体的工艺条件为:沉积溫度:900°C;总压：10k化;丙烷流量:化/min;停留时 间：1秒；
[0036] (3)将有机先驱体聚碳硅烷溶剂二甲苯按照1:1的比例配置成陶瓷先驱体浸溃液；
[0037] (4)采用真空浸溃的工艺，将C/C复合材料巧体浸入SiC复相陶瓷先驱体混合溶液 中，保持浸溃液溫度为50°C，真空度控制在IkPa，浸溃时间为2小时；
[0038] (5)将浸溃后的材料在烘箱中进行交联固化处理。交联溫度为12(TC，交联时间为2 小时，交联气氛为大气环境；
[0039] (6)将交联固化后的材料放入热处理炉中进行陶瓷化处理。升溫速率为2°C/min， 热处理溫度为1000°c，保溫时间为2小时，热处理气氛为氣气惰性气氛；
[0040] (7)将裂解后的材料进行超声清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0041] (8)将烘干后的材料重复步骤(4)、（5)、（6)、（7)，共进行12次PIP循环过程完成材 料的致密；
[0042] (9)将得到的复合材料进行加工处理，得到C/C-SiC陶瓷基复合材刹车盘。
[0043] 实施例1
[0044] 一种本发明的C/C-化C-SiC陶瓷基复合材刹车盘，其组成为C纤维、C基体、ZrC基体 和SiC基体。其特征在于化C基体均匀分散在SiC基体中，ZrC基体的平均粒径尺寸在lOOnm， 是经过一次浸溃工艺同时得到两种基体，基体的比例可调。所述的C纤维所占的体积分数为 40 %，C基体所占的体积分数为10 %，ZrC基体所占的体积分数为20 %，SiC基体所占的体积 分数为30 %。
[0045] 上述C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘具体由W下步骤制备得到：
[0046] (1)将2D针刺碳纤维预制体叠层成具有刹车盘形状的织物增强结构，C纤维体积分 数为40 % ;
[0047] (2)采用ICVI工艺，W丙烷为碳源，氮气为稀释气体，在预制体内部制备出高织构 热解碳基体。具体的工艺条件为:沉积溫度:900°C;总压：10k化;丙烷流量:化/min;停留时 间：1秒；
[004引（3)将有机先驱体聚碳硅烷和聚错氧烧W及溶剂二甲苯按照3:2:5的比例配置成 复相陶瓷先驱体浸溃液；
[0049] (4)采用真空浸溃的工艺，将C/C复合材料巧体浸入化C-SiC复相陶瓷先驱体混合 溶液中，保持浸溃液溫度为50°C，真空度控制在IkPa，浸溃时间为2小时；
[0050] (5)将浸溃后的材料在烘箱中进行交联固化处理。交联溫度为12(TC，交联时间为2 小时，交联气氛为大气环境；
[0051] (6)将交联固化后的材料放入热处理炉中进行陶瓷化处理。升溫速率为2°C/min， 热处理溫度为1500°C，保溫时间为2小时，热处理气氛为氣气惰性气氛；
[0052] (7)将裂解后的材料进行超声清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0053] (8)将烘干后的材料重复步骤(4)、（5)、（6)、（7)，共进行12次PIP循环过程完成材 料的致密；
[0054] (9)将得到的复合材料进行加工处理，得到C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘。 [0化5] 实施例2
[0化6] -种本发明的C/C-化C-SiC陶瓷基复合材刹车盘，其组成为C纤维、C基体、ZrC基体 和SiC基体。其特征在于化C基体均匀分散在SiC基体中，ZrC基体的平均粒径尺寸在lOOnm， 是经过一次浸溃工艺同时得到两种基体，基体的比例可调。所述的C纤维所占的体积分数为 45 %，C基体所占的体积分数为10 %，ZrC基体所占的体积分数为20 %，SiC基体所占的体积 分数为25 %。
[0057] 上述C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘具体由W下步骤制备得到：
[0058] (1)将2D针刺碳纤维预制体叠层成具有刹车盘形状的织物增强结构，C纤维体积分 数为45 % ;
[0059] (2)采用ICVI工艺，W丙烷为碳源，氮气为稀释气体，在预制体内部制备出高织构 热解碳基体。具体的工艺条件为:沉积溫度:950°C;总压：10k化;丙烷流量:3L/min;停留时 间：1秒；
[0060] (3)将有机先驱体聚碳硅烷和聚错氧烧W及溶剂二甲苯按照5:4:9的比例配置成 复相陶瓷先驱体浸溃液；
[0061] (4)采用真空浸溃的工艺，将C/C复合材料巧体浸入化C-SiC复相陶瓷先驱体混合 溶液中，保持浸溃液溫度为50°C，真空度控制在IkPa，浸溃时间为2小时；
[0062] (5)将浸溃后的材料在烘箱中进行交联固化处理。交联溫度为12(TC，交联时间为2 小时，交联气氛为大气环境；
[0063] (6)将交联固化后的材料放入热处理炉中进行陶瓷化处理。升溫速率为2°C/min， 热处理溫度为1500°C，保溫时间为2小时，热处理气氛为氣气惰性气氛；
[0064] (7)将裂解后的材料进行超声清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0065] (8)将烘干后的材料重复步骤(4)、（5)、（6)、（7)，共进行12次PIP循环过程完成材 料的致密；
[0066] (9)将得到的复合材料进行加工处理，得到C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘。
[0067] 实施例3
[0068] 一种本发明的C/C-化C-SiC陶瓷基复合材刹车盘，其组成为C纤维、C基体、ZrC基体 和SiC基体。其特征在于化C基体均匀分散在SiC基体中，ZrC基体的平均粒径尺寸在lOOnm， 是经过一次浸溃工艺同时得到两种基体，基体的比例可调。所述的C纤维所占的体积分数为 40 %，C基体所占的体积分数为15 %，ZrC基体所占的体积分数为25 %，SiC基体所占的体积 分数为20 %。
[0069] 上述C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘具体由W下步骤制备得到：
[0070] (1)将2D针刺碳纤维预制体叠层成具有刹车盘形状的织物增强结构，C纤维体积分 数为40 % ;
[0071] (2)采用ICVI工艺，W丙烷为碳源，氮气为稀释气体，在预制体内部制备出高织构 热解碳基体。具体的工艺条件为:沉积溫度:900°C;总压：10k化;丙烷流量:化/min;停留时 间：1秒；
[0072] (3)将有机先驱体聚碳硅烷和聚错氧烧W及溶剂二甲苯按照4:5:9的比例配置成 复相陶瓷先驱体浸溃液；
[0073] (4)采用真空浸溃的工艺，将C/C复合材料巧体浸入化C-SiC复相陶瓷先驱体混合 溶液中，保持浸溃液溫度为50°C，真空度控制在IkPa，浸溃时间为2小时；
[0074] (5)将浸溃后的材料在烘箱中进行交联固化处理。交联溫度为12(TC，交联时间为2 小时，交联气氛为大气环境；
[0075] (6)将交联固化后的材料放入热处理炉中进行陶瓷化处理。升溫速率为2°C/min， 热处理溫度为1500°C，保溫时间为2小时，热处理气氛为氣气惰性气氛；
[0076] (7)将裂解后的材料进行超声清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱6(TC烘干
[0077] (8)将烘干后的材料重复步骤(4)、（5)、（6)、（7)，共进行12次PIP循环过程完成材 料的致密；
[0078] (9)将得到的复合材料进行加工处理，得到C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘。
[0079] W上对比例和实施例所得刹车盘样品采用MM-1000摩擦试验机测试动摩擦系数和 磨损率(惯量为3.8kgf · cm · S2,比压为lOON/cm2,线速度为25m/s，模拟飞机正常刹车试 验）。测试结果见下表。
[0080] 表1不同组分的刹车盘性能测试结果
[0081]
[0082]由表1可W看出本发明制备的C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘密度高于C/C-SiC 陶瓷基复合材刹车盘，磨损率低于C/C-SiC陶瓷基复合材刹车盘，干态摩擦系数稍高于C/C- SiC陶瓷基复合材刹车盘，最大的改变在于，相比于干摩擦试验，在湿态摩擦测试中，C/C- ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘摩擦系数有小幅提升，该结果优于传统C/C复合材料刹车盘和 碳-陶双基体复合材料刹车盘。
【主权项】
1. 一种C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材料刹车盘的制备方法，其特征在于，所述刹车盘由C 纤维、C基体、ZrC基体和S i C基体组成，ZrC基体均匀分散在S i C基体中，ZrC基体的平均粒径 尺寸为lOOnm，经过一次浸渍同时得到两种基体ZrC基体和SiC基体，ZrC基体和SiC基体的比 例可调;所述方法包括如下步骤： (1) 将2D针刺碳纤维预制体叠层成具有刹车盘形状的织物增强结构； (2) 采用ICVI工艺，以烷烃类气体为碳源，氮气为稀释气体，在预制体内部制备出高织 构热解碳基体;具体的工艺条件为:沉积温度:900~950°C ;总压：5~lOkPa;丙烷流量:3~ 5L/min;停留时间：<2秒。 (3) 将有机先驱体聚碳硅烷和聚锆氧烷以及溶剂二甲苯按照不同比例配置成复相陶瓷 先驱体浸渍液。 (4) 采用真空浸渍的工艺，将C/C复合材料坯体浸入ZrC-SiC复相陶瓷先驱体混合溶液 中，保持浸渍液温度为50~60°C，真空度控制在1~2kPa，浸渍时间为2~4小时。 (5) 将浸渍后的材料在烘箱中进行交联固化处理:交联温度为120°C，交联时间为2~4 小时，交联气氛为大气环境。 (6) 将交联固化后的材料放入热处理炉中进行陶瓷化处理。 (7) 将裂解后的材料进行超声清洗，去除表面陶瓷粉粒，而后放置于烘箱60°C烘干； (8) 将烘干后的材料重复步骤(4)、（5)、（6)、（7)，需进行多次PIP循环过程完成材料的 致密； (9) 将得到的复合材料进行加工处理，得到C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的C纤维占刹车盘总体积的40~45%。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的C基体占刹车盘总体积的8~16%。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的ZrC基体占刹车盘总体积的20~ 25% 〇5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的SiC基体占刹车盘总体积的25~ 35%〇6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中所用的烷烃为丙烷。7. 根据权利要求6所述方法，其特征在于，在步骤(6)中，热处理升温速率为2~：TC/ min，热处理温度为1500~1700°C，保温时间为2小时，热处理气氛为氩气惰性气氛。8. 根据权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的C/C-ZrC-SiC陶瓷基复合材刹车盘， 其特征在于，所述刹车盘由C纤维、C基体、ZrC基体和SiC基体组成，ZrC基体均匀分散在SiC 基体中，ZrC基体的平均粒径尺寸为100nm，经过一次浸渍同时得到两种基体ZrC基体和SiC 基体，ZrC基体和S i C基体的比例可调。
【文档编号】C04B35/56GK106083114SQ201610392206
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月3日 公开号201610392206.2, CN 106083114 A, CN 106083114A, CN 201610392206, CN-A-106083114, CN106083114 A, CN106083114A, CN201610392206, CN201610392206.2
【发明人】王超, 田秀梅, 马小民, 何立军, 张博, 马晓东
【申请人】苏州赛力菲陶纤有限公司