一种碳?碳复合材料刹车盘的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳?碳复合材料刹车盘的制备方法。本发明制备的刹车盘，采用碳?碳复合材料，采用特定工艺及参数提升了材料的机械性能，制备过程中对刹车盘进行表面结壳处理，并通过控制合适的CVI工艺参数，使刹车盘表面形成了致密的热解碳，提高了产品质量，延长了产品的使用寿命。
【专利说明】
一种碳-碳复合材料刹车盘的制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种碳-碳复合材料刹车盘的制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，用于飞机上的刹车盘主要有C/C材料和粉末冶金材料两类。粉末冶金刹车材料存在着如下缺点:高温下易粘接，重量大，热衰退明显，高温强度下降，抗热震能力差，寿命短等。
[0003]碳/碳复合材料具有比强度、比模量大，高温机械性能好，摩擦磨损性能稳定等优点广泛用于制造高能制动装置刹车盘。七十年代以来，碳/碳复合材料刹车盘已被国内外众多飞机大量使用。
[0004]现有技术中，化学气相渗透工艺是制备炭炭复合材料的主要方法，等温化学气相渗透工艺设备简单、操作方便，对复杂形状制品可处理性强，具有一炉多制品同时渗透的特点，在炭炭复合材料制备领域占据极其重要的地位。其不足之处在于:等温化学气相渗透工艺存在热解反应、沉积反应和气体扩散之间的竞争，沉积速率大于扩散速率，导致炭炭复合材料出现严重的密度梯度，甚至出现表面结壳现象。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种碳-碳复合材料刹车盘的制备方法，使用该方法工艺可控，使用该方法制备的刹车盘，耐高温性能强，机械性能优异。
[0006]为了实现上述目的，本发明提供一种碳-碳复合材料刹车盘的制备方法，该方法包括如下步骤:
(I)制备碳-碳复合材料
在真空条件下，将碳纤维放入2150°C_2225°C环境中锻烧2-3h，将锻烧后的碳纤维基体用硝酸和硫酸的混合溶液在50-70 °C浸泡50-80min，接着用去离子水冲洗至中性，最后烘干待用；
取I O-12mL复合催化剂，加入浓度为2mo I /L的氨水90_120mL，再加入30_50mL无水乙醇，搅拌使其混合均匀；
将的混合溶液转移到高压反应釜中，将所得的碳纤维预制体放入釜中浸渍8-10h; 将反应釜浸入120-140 °C的油浴中反应2-3h ；
用冷水对反应釜急冷，使其温度降至室温，取出碳纤维预制体，在不断翻动的情况下阴干；
将所得的试样转入真空碳管炉中锻烧、还原，得加载有金属催化剂Ni颗粒的碳纤维预制体；
将所得碳纤维预制体装载在真空碳管炉中，进行沉积增密。其中，主要工艺参数为:温度1200-1300°C，管道天然气气体流量范围为5-7L，气氛压力控制为1.5-2KPa，沉积时间为50-60h； 将所得沉积增密后的样品在2200-2250°C温度下高温石墨化处理2h-3h，自然冷却后得到复合碳纤维材料；
将酚醛树脂和乙醇按比例混合搅拌，酚醛树脂完全溶解后，继续搅拌一段时间，使酚醛树脂和乙醇混合均匀，一般10-15min即可，再加入适量的酸性催化剂，搅拌均匀，一般继续搅拌10-15min即可，得到均匀稳定的酚醛树脂溶液，所述的酚醛树脂与乙醇的质量比为1:(1-5)；
催化剂选择乙酸，优选的添加量为酚醛树脂质量的6-10% ;。
[0007]真空浸渍:将上述复合碳纤维材料浸没在所述酚醛树脂溶液中，在密闭状态下进行真空浸渍；
在密闭状态下加热，使浸没在酚醛树脂溶液中的低密度复合碳纤维材料在饱和乙醇蒸汽环境中进行固化，获得纳米尺度的颗粒状碳基体；
固化全过程在过量的乙醇溶剂中完成，碳树脂先驱体在密闭容器内，在高温及乙醇饱和蒸汽压的共同作用下交联固化，碳树脂先驱体在过量乙醇中固化生成交联结构的纳米凝胶；
固化工艺为:按40-60°C/h的升温速率由室温升温至150-180°C，保温2-3h，再按10-200C /h的升温速率升温至190-210 °C,保温3-4小时，自然降温至100 °C以下后，可通入冷却水或风冷快速降温；
固化后的颗粒状碳基体，去除表面附着的酚醛块，在氮气保护下按100-150°C/h的升温速率升温至900-1150 0C进行高温裂解，得到碳-碳复合材料；
(2)加工刹车盘预成型体
按照设计图纸加工刹车盘预成型体，所述刹车盘预成型体有两块，将加工好的刹车盘预成型体放入CVI炉进行常规的沉积。沉积参数为:CVI炉炉温为1150-1250 °C、CVI炉内压力彡1KPa、沉积时间75-100h，天然气流量为4000_4500L/h、丙烷气流量为600_750L/h，得到经过表面结壳处理的刹车盘预成型体；
(3)装填碳-碳复合材料
将碳-碳复合材料分别装填到所述经过表面结壳处理的两块刹车盘预成型体上的相变储能装填槽中，装填的体积为储能槽体积的85%-90% ;
(4)覆盖石墨纸
裁剪石墨纸，该石墨纸的外形尺寸与储能槽的外形尺寸相当，将裁剪好的石墨纸置于所述装填槽内，并使该石墨纸覆盖碳-碳复合材料表面；
(5)涂刷粘接剂
将粘接剂分别涂刷在刹车盘预成型体非摩擦面、碳铆钉表面和铆钉孔内，每平方厘米的涂刷量为1-1.5g;所述粘接剂的适于温度为850-900°C ；
(6)对合、烘干和热处理
将所述涂刷有粘接剂的两块刹车盘预成型体的非摩擦面对合;将碳铆钉铆入铆钉孔；将一石墨配重放置在对合后的两块刹车盘预成型体表面，通过该石墨配重的重量使两块刹车盘预成型体之间无间隙接触；
将所述对合后的刹车盘预成型体及配重物一起放入烘箱烘干。烘箱温度170-200°C，烘干时间为3_4h; 将烘干后的刹车盘预成型体及配重物放入高温炉中，采用常规方法进行热处理;热处理参数:抽真空至SlOOOPa，对热处理炉升温至800-850°C，保温l_2h进行热处理;保温结束后，随炉冷却至室温，得到刹车盘。
[0008]本发明制备的刹车盘，采用碳-碳复合材料，采用特定工艺及参数提升了材料的机械性能，制备过程中对刹车盘进行表面结壳处理，并通过控制合适的CVI工艺参数，使刹车盘表面形成了致密的热解碳，提高了产品质量，延长了产品的使用寿命。
【具体实施方式】
[0009]实施例一
在真空条件下，将碳纤维放入2150°C环境中锻烧2h，将锻烧后的碳纤维基体用硝酸和硫酸的混合溶液在50°C浸泡50min，接着用去离子水冲洗至中性，最后烘干待用。
[0010]取1mL复合催化剂，加入浓度为2mol/L的氨水90mL，再加入30mL无水乙醇，搅拌使其混合均匀。将的混合溶液转移到高压反应釜中，将所得的碳纤维预制体放入釜中浸渍8h。将反应釜浸入120°C的油浴中反应2h。用冷水对反应釜急冷，使其温度降至室温，取出碳纤维预制体，在不断翻动的情况下阴干。将所得的试样转入真空碳管炉中锻烧、还原，得加载有金属催化剂附颗粒的碳纤维预制体。复合催化剂中附、1^^1的摩尔比为:祖:1^:41 = 10:1:4ο
[0011]将所得碳纤维预制体装载在真空碳管炉中，进行沉积增密。其中，主要工艺参数为:温度12000C，管道天然气气体流量范围为5L，气氛压力控制为1.5KPa，沉积时间为50h。
[0012]将所得沉积增密后的样品在2200°C温度下高温石墨化处理2h，自然冷却后得到复合碳纤维材料。
将酚醛树脂和乙醇按比例混合搅拌，酚醛树脂完全溶解后，继续搅拌一段时间，使酚醛树脂和乙醇混合均匀，一般1min即可，再加入适量的酸性催化剂，搅拌均匀，一般继续搅拌1min即可，得到均匀稳定的酚醛树脂溶液，所述的酚醛树脂与乙醇的质量比为1:1;催化剂选择乙酸，优选的添加量为酚醛树脂质量的6%。
[0013]真空浸渍:将上述复合碳纤维材料浸没在所述酚醛树脂溶液中，在密闭状态下进行真空浸渍。
[0014]在密闭状态下加热，使浸没在酚醛树脂溶液中的低密度复合碳纤维材料在饱和乙醇蒸汽环境中进行固化，获得纳米尺度的颗粒状碳基体。
[0015]固化全过程在过量的乙醇溶剂中完成，碳树脂先驱体在密闭容器内，在高温及乙醇饱和蒸汽压的共同作用下交联固化，碳树脂先驱体在过量乙醇中固化生成交联结构的纳米凝胶。
[0016]固化工艺为:按400C /h的升温速率由室温升温至150 °C，保温2h，再按1 °C /h的升温速率升温至190°C，保温3小时，自然降温至100°C以下后，可通入冷却水或风冷快速降温。
[0017]固化后的颗粒状碳基体，去除表面附着的酚醛块，在氮气保护下按100°C/h的升温速率升温至900°C进行高温裂解，得到碳-碳复合材料。
[0018]按照设计图纸加工刹车盘预成型体，所述刹车盘预成型体有两块，将加工好的刹车盘预成型体放入CVI炉进行常规的沉积。沉积参数为:CVI炉炉温为1150 °C、CVI炉内压力< lOKPa、沉积时间75h，天然气流量为4000L/h、丙烷气流量为600L/h，得到经过表面结壳处理的刹车盘预成型体。
[0019]将碳-碳复合材料分别装填到所述经过表面结壳处理的两块刹车盘预成型体上的相变储能装填槽中，装填的体积为储能槽体积的85%_90%。
[0020]裁剪石墨纸，该石墨纸的外形尺寸与储能槽的外形尺寸相当，将裁剪好的石墨纸置于所述装填槽内，并使该石墨纸覆盖碳-碳复合材料表面。
[0021]将粘接剂分别涂刷在刹车盘预成型体非摩擦面、碳铆钉表面和铆钉孔内，每平方厘米的涂刷量为Ig;所述粘接剂的适于温度为850°C。
[0022]将所述涂刷有粘接剂的两块刹车盘预成型体的非摩擦面对合;将碳铆钉铆入铆钉孔;将一石墨配重放置在对合后的两块刹车盘预成型体表面，通过该石墨配重的重量使两块刹车盘预成型体之间无间隙接触。
[0023]将所述对合后的刹车盘预成型体及配重物一起放入烘箱烘干。烘箱温度170°C，烘干时间为3h。
[0024]将烘干后的刹车盘预成型体及配重物放入高温炉中，采用常规方法进行热处理；热处理参数:抽真空至SlOOOPa，对热处理炉升温至800°C，保温Ih进行热处理;保温结束后，随炉冷却至室温，得到刹车盘。
[0025]实施例二
在真空条件下，将碳纤维放入2225°C环境中锻烧3h，将锻烧后的碳纤维基体用硝酸和硫酸的混合溶液在70°C浸泡80min，接着用去离子水冲洗至中性，最后烘干待用。
[0026]取12mL复合催化剂，加入浓度为2mol/L的氨水120mL，再加入50mL无水乙醇，搅拌使其混合均匀。将的混合溶液转移到高压反应釜中，将所得的碳纤维预制体放入釜中浸渍1h O将反应釜浸入140 0C的油浴中反应3h。用冷水对反应釜急冷，使其温度降至室温，取出碳纤维预制体，在不断翻动的情况下阴干。将所得的试样转入真空碳管炉中锻烧、还原，得加载有金属催化剂Ni颗粒的碳纤维预制体。复合催化剂中N1、La、Al的摩尔比为:N1:La:Al= 10:1:4。
[0027]将所得碳纤维预制体装载在真空碳管炉中，进行沉积增密。其中，主要工艺参数为:温度13000C，管道天然气气体流量范围为7L，气氛压力控制为2KPa，沉积时间为60h。
[0028]将所得沉积增密后的样品在2250°C温度下高温石墨化处理3h，自然冷却后得到复合碳纤维材料。
将酚醛树脂和乙醇按比例混合搅拌，酚醛树脂完全溶解后，继续搅拌一段时间，使酚醛树脂和乙醇混合均匀，一般15min即可，再加入适量的酸性催化剂，搅拌均匀，一般继续搅拌15min即可，得到均匀稳定的酚醛树脂溶液，所述的酚醛树脂与乙醇的质量比为1:5;催化剂选择乙酸，优选的添加量为酚醛树脂质量的10%。
[0029]真空浸渍:将上述复合碳纤维材料浸没在所述酚醛树脂溶液中，在密闭状态下进行真空浸渍。
[0030]在密闭状态下加热，使浸没在酚醛树脂溶液中的低密度复合碳纤维材料在饱和乙醇蒸汽环境中进行固化，获得纳米尺度的颗粒状碳基体。
[0031]固化全过程在过量的乙醇溶剂中完成，碳树脂先驱体在密闭容器内，在高温及乙醇饱和蒸汽压的共同作用下交联固化，碳树脂先驱体在过量乙醇中固化生成交联结构的纳米凝胶。
[0032]固化工艺为:按60°C/h的升温速率由室温升温至180 0C，保温3h，再按20 V/h的升温速率升温至210°C，保温4小时，自然降温至100°C以下后，可通入冷却水或风冷快速降温。
[0033]固化后的颗粒状碳基体，去除表面附着的酚醛块，在氮气保护下按150°C/h的升温速率升温至1150°C进行高温裂解，得到碳-碳复合材料。
[0034]按照设计图纸加工刹车盘预成型体，所述刹车盘预成型体有两块，将加工好的刹车盘预成型体放入CVI炉进行常规的沉积。沉积参数为:CVI炉炉温为1250 °C、CVI炉内压力SlOKPa、沉积时间100h，天然气流量为4500L/h、丙烷气流量为750L/h，得到经过表面结壳处理的刹车盘预成型体。
[0035]将碳-碳复合材料分别装填到所述经过表面结壳处理的两块刹车盘预成型体上的相变储能装填槽中，装填的体积为储能槽体积的90%。
[0036]裁剪石墨纸，该石墨纸的外形尺寸与储能槽的外形尺寸相当，将裁剪好的石墨纸置于所述装填槽内，并使该石墨纸覆盖碳-碳复合材料表面。
[0037]将粘接剂分别涂刷在刹车盘预成型体非摩擦面、碳铆钉表面和铆钉孔内，每平方厘米的涂刷量为I.5g;所述粘接剂的适于温度为900°C。
[0038]将所述涂刷有粘接剂的两块刹车盘预成型体的非摩擦面对合;将碳铆钉铆入铆钉孔;将一石墨配重放置在对合后的两块刹车盘预成型体表面，通过该石墨配重的重量使两块刹车盘预成型体之间无间隙接触。
[0039]将所述对合后的刹车盘预成型体及配重物一起放入烘箱烘干。烘箱温度200°C，烘干时间为4h;
将烘干后的刹车盘预成型体及配重物放入高温炉中，采用常规方法进行热处理;热处理参数:抽真空至彡100Pa，对热处理炉升温至850°C，保温2h进行热处理;保温结束后，随炉冷却至室温，得到刹车盘。
【主权项】
1.一种碳-碳复合材料刹车盘的制备方法，该方法包括如下步骤: (1)制备碳-碳复合材料 在真空条件下，将碳纤维放入2150°c-2225°c环境中锻烧2-3h，将锻烧后的碳纤维基体用硝酸和硫酸的混合溶液在50-70 °C浸泡50-80min，接着用去离子水冲洗至中性，最后烘干待用； 取10-12mL复合催化剂，加入浓度为2mol/L的氨水90-120mL，再加入30-50mL无水乙醇，搅拌使其混合均匀； 将的混合溶液转移到高压反应釜中，将所得的碳纤维预制体放入釜中浸渍8-10h; 将反应釜浸入120-140 0C的油浴中反应2-3h ； 用冷水对反应釜急冷，使其温度降至室温，取出碳纤维预制体，在不断翻动的情况下阴干； 将所得的试样转入真空碳管炉中锻烧、还原，得加载有金属催化剂Ni颗粒的碳纤维预制体； 将所得碳纤维预制体装载在真空碳管炉中，进行沉积增密;其中，主要工艺参数为:温度1200-1300°C，管道天然气气体流量范围为5-7L，气氛压力控制为1.5-2KPa，沉积时间为50-60h； 将所得沉积增密后的样品在2200-2250°C温度下高温石墨化处理2h-3h，自然冷却后得到复合碳纤维材料； 将酚醛树脂和乙醇按比例混合搅拌，酚醛树脂完全溶解后，继续搅拌一段时间，使酚醛树脂和乙醇混合均匀，一般10-15min即可，再加入适量的酸性催化剂，搅拌均匀，一般继续搅拌10-15min即可，得到均匀稳定的酚醛树脂溶液，所述的酚醛树脂与乙醇的质量比为1:(1-5)； 催化剂选择乙酸，优选的添加量为酚醛树脂质量的6-10%; 真空浸渍:将上述复合碳纤维材料浸没在所述酚醛树脂溶液中，在密闭状态下进行真空浸渍； 在密闭状态下加热，使浸没在酚醛树脂溶液中的低密度复合碳纤维材料在饱和乙醇蒸汽环境中进行固化，获得纳米尺度的颗粒状碳基体； 固化全过程在过量的乙醇溶剂中完成，碳树脂先驱体在密闭容器内，在高温及乙醇饱和蒸汽压的共同作用下交联固化，碳树脂先驱体在过量乙醇中固化生成交联结构的纳米凝胶； 固化工艺为:按40-60 0C /h的升温速率由室温升温至150-180 °C，保温2_3h，再按10-200C /h的升温速率升温至190-210 °C,保温3-4小时，自然降温至100 °C以下后，可通入冷却水或风冷快速降温； 固化后的颗粒状碳基体，去除表面附着的酚醛块，在氮气保护下按100-150°C/h的升温速率升温至900-1150 0C进行高温裂解，得到碳-碳复合材料； (2)加工刹车盘预成型体 按照设计图纸加工刹车盘预成型体，所述刹车盘预成型体有两块，将加工好的刹车盘预成型体放入CVI炉进行常规的沉积;沉积参数为:CVI炉炉温为1150-1250 °C、CVI炉内压力彡1KPa、沉积时间75-100h，天然气流量为4000_4500L/h、丙烷气流量为600_750L/h，得到经过表面结壳处理的刹车盘预成型体； (3)装填碳-碳复合材料 将碳-碳复合材料分别装填到所述经过表面结壳处理的两块刹车盘预成型体上的相变储能装填槽中，装填的体积为储能槽体积的85%-90% ; (4)覆盖石墨纸 裁剪石墨纸，该石墨纸的外形尺寸与储能槽的外形尺寸相当，将裁剪好的石墨纸置于所述装填槽内，并使该石墨纸覆盖碳-碳复合材料表面； (5)涂刷粘接剂 将粘接剂分别涂刷在刹车盘预成型体非摩擦面、碳铆钉表面和铆钉孔内，每平方厘米的涂刷量为1-1.5g;所述粘接剂的适于温度为850-900°C ； (6)对合、烘干和热处理 将所述涂刷有粘接剂的两块刹车盘预成型体的非摩擦面对合;将碳铆钉铆入铆钉孔；将一石墨配重放置在对合后的两块刹车盘预成型体表面，通过该石墨配重的重量使两块刹车盘预成型体之间无间隙接触； 将所述对合后的刹车盘预成型体及配重物一起放入烘箱烘干;烘箱温度170-200°C，烘干时间为3_4h; 将烘干后的刹车盘预成型体及配重物放入高温炉中，采用常规方法进行热处理；热处理参数:抽真空至SlOOOPa，对热处理炉升温至800-850°C，保温l_2h进行热处理;保温结束后，随炉冷却至室温，得到刹车盘。
【文档编号】F16D69/02GK106090082SQ201610433478
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月18日
【发明人】不公告发明人
【申请人】苏州思创源博电子科技有限公司