碳碳或碳陶复合材料短纤预制体及其制品以及制备方法与流程

本发明涉及碳碳或碳陶复合材料技术领域，尤其涉及一种碳碳或碳陶复合材料短纤预制体及其制品以及制备方法。

背景技术：

刹车组件是飞机、列车、汽车、摩托车等必须装备的制动部件，其性能的优劣直接影响车辆、装备的使用安全性。

在生产制造刹车组件的过程中，非高速运动的车辆一般采用粉末冶金工艺制作；高速车辆采用了预制体制备工艺，预制体制备的原材料通常利用到碳-碳复合材料，碳-碳复合材料是碳纤维增强碳基体的一种高性能复合材料，具有强度高、耐腐蚀、可设计性强等特点。

现有技术制备的刹车材料预制体多具有以下问题：

一、制作周期长；

二、工艺步骤繁琐，目前一般采用多层复合针刺或者多层模压工艺，费时费力，不能连续生产；

三、成本高，目前一般先制作成正方向的板材，然后去角掏芯后获得预制体，这样导致大量的材料浪费。

四、结构强度低，目前采用的工艺导致层间剪切力不够容易分层，从而导致整体强度不足。

本案提出了一种新型碳-碳复合材料预制体及其制品以及制备方法。通过研发新的热结构复合材料，其用途不仅限于刹车盘，还可一一扩展到其他领域车辆，比如火车、重型卡车、客车、公交车以及跑车等等。

技术实现要素：

本发明提供了一种碳碳或碳陶复合材料短纤预制体及其制品以及制备方法，解决了以上技术问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明第一提供了一种用于碳碳或碳陶复合材料制作的短切碳纤维预制体的制备方法，其核心技术特征在于，包括将短切碳纤维通过挤出机挤出成型，实现连续性的成型产物。具体包括以下步骤：

s1，成型，将短切碳纤维通过挤出机挤出成型，实现连续性的成型产物；

s2，分切，将固化好的预制体胚体根据最终制品的厚度进行分切成为多段的预制体。

进一步地，预制体的成型形状依据不同的需求，根据选定的芯模而定。

进一步地，所述的短切碳纤维由长度为2mm-10mm，或任意多组长度的短切碳纤维比例混合物。

进一步地，还包括s3，将得到的多段的预制体薄片与至少一层石墨纸或碳布进行针刺复合。

进一步地，所述碳布采用特种碳布，所述特种碳布为编织布或单向布制作而成。

进一步地，所述编织布采用纤维束或预浸带编织而成，纤维束或带的厚度为0.01～0.20mm，优选0.01～0.05mm。

本发明第二方面提供了一种用于碳碳或碳陶复合材料制作的短切碳纤维预制体的制备方法，其核心技术特征在于，包括将短切碳纤维通过挤出机挤出成型，实现连续性的成型产物。具体包括以下步骤：

s1，按照一定比例将短切碳纤维和树脂混合均匀；

s2，成型，将短切碳纤维预浸料通过挤出机挤出成型，实现连续性的成型产物；

s3，固化，升温将树脂固化；

s4，分切，将固化好的预制体胚体根据最终制品的厚度进行分切成为多段的预制体。

进一步地，所述树脂包括聚氮硅烷、聚碳硅烷、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂等的一种或多种。

进一步地，预制体的成型形状依据不同的需求，根据选定的芯模而定。

进一步地，浸料比例采用质量百分比，树脂含量为0.01％～50％。

进一步地，所述的短切碳纤维由长度为2mm-10mm，或任意多组长度的短切碳纤维比例混合物。

本发明第三方面提供了一种短切碳纤维预制体，其特征在于，采用上述任一制备方法获得。

本发明第四方面提供了一种用上述制备方法获得的碳碳或碳陶复合材料制品，其特征在于：是经过气相沉积或液相沉积或两者组合方法获得碳碳或碳陶复合材料制品。

进一步地，所述的碳碳或碳陶复合材料制品，包括板材、柱材、筒体、球体、环形材料以及其他异形材料。

进一步地，所述的碳碳或碳陶复合材料制品，包括刹车盘、刹车片、托杆、托盘、电极柱、支撑柱、料架、载板、坩埚、导流筒、保温桶、盖板、支撑环、紧固件、火箭喉衬、发动机喷管、发动机叶片。

本发明的有益效果在于：

1.利用纯短纤维制成短切碳纤维复合材料型刹车组件的预制体，设备空间占用率小，其制备方法工艺简单。

2.原料易得，成本低；

3.可以连续生产，生产效率高，大大缩短制备周期；

4.可以直接按照最终产品外形成型，减少加工余量，减少磨削浪费，减少成本。

具体地说，还具有以下优点：

1)石墨纸的添加具有缓冲作用，减少啸叫；

2)石墨纸的添加具有导热散热作用，使得刹车盘芯部温度快速传导到盘外，利于散热，提升摩擦稳定性，提高刹车盘的使用寿命。(补充对比数据，比如从芯部散热的时间，比如不加时为5s，添加后为3s)

3)碳布的添加，可以由大丝束碳纤维成本编织小丝束碳纤维才能编织出的高体积密度的纤维布，成本大大降低；

4)碳布的添加，由于可以大幅提高复合材料预制体的体积份数，所以复合材料强度大大提高；

5)碳布的添加，使得碳碳复合材料沉积周期大大缩短，进一步降低碳碳复合材料的成本；

6)碳布的添加，使得碳碳复合材料达到同样强度，预制体厚度可以减薄，降低成本；

7)碳布的添加，使得碳碳复合材料在使用同样密度的预制体情况下，达到同样强度，碳碳复合材料致密度低，成本低。

8)碳布的添加，可以大大缩小碳碳复合材料的形变量，提升结构强度。

9)采用环形分切工艺，相对于现有板式预制体，无需去除边料和芯料，可以使得刹车盘预制体材料的浪费减少；

10)采用环形分切工艺，可以一次性制造多个盘式预制体，可以减少制作工时；

11)采用环形分切工艺，相对于现有工艺的板式针刺预制体而言，盘式预制体密度更加均匀，增强了预制体的一致性；

12)在预制体中加入树脂和填充物可以有效缩短气相沉积的周期，同时起到缓冲、减震、散热、导热等功能需求，克服现有刹车盘散热不快、震动、抗氧化能力不足等问题。

13)在预制体中加入树脂，可以减少粉尘，降低污染。

14)使用短纤维工艺，区别于现有针刺板式预制体短纤维工艺，原料易得，成本便宜。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明碳碳或碳陶复合材料短纤预制体的制备方法工艺流程图一；

图2为本发明碳碳或碳陶复合材料短纤预制体的制备方法工艺流程图二；

图3为本发明刹车材料预制体结构示意图一；

图4为本发明刹车材料预制体结构示意图二；

图5为本发明刹车材料预制体结构示意图三；

图6为本发明刹车材料预制体结构示意图四；

图7为本发明刹车材料预制体结构示意图五；

图8为预制体与石墨纸或碳布针刺复合示意图；

图9为编织布示意图；

图10为本发明板材制品示意图；

图11为本发明柱材制品示意图；

图12为本发明筒体制品示意图；

图13为本发明球体制品示意图；

图中标记说明：

1为短切碳纤维层,2树脂层，3石墨纸或碳布，4针刺若干碳纤维纯短纤维。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

本发明一方面提供了一种碳碳或碳陶复合材料短纤预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，如图1所示：

s1，成型，将短切碳纤维挤出成型；为了形成不同形状的预制体，依据不同的需求我们可以在所述固定床安装芯模，以便制造不同形状的预制体，例如一个圆柱形芯模，比如直径280mm，挤出机模口内腔直径为420mm，则可在所述固定床形成一个中空的环形预制体，其内径为280mm，外径为420mm；又例如是一个心形板，则可在所述固定床形成一个中间为心形缺口的预制体，一般的情况下则是做成饼状。

s2，分切，将固化好的预制体胚体根据最终制品的厚度(比如30mm，一般飞机刹车盘为30mm，汽车刹车盘为28mm，高铁厚度为40～90mm)进行分切成为多段的预制体，预制体中的纤维的体积密度控制在0.1～0.7g/cm³。

实施例2：

本发明一方面提供了一种碳碳或碳陶复合材料短纤预制体的制备方法，其特征在于，在实施例1的现有步骤下，还包括以下步骤，如图1所示：

s3，将得到的多段的预制体薄片与至少一层石墨纸或碳布进行针刺复合。所述碳布采用特种碳布，所述特种碳布为编织布或单向布制作而成。所述编织布采用纤维束或预浸带编织而成。纤维束或带的厚度为0.01～0.50mm，优选厚度0.01～0.20mm，更优选0.01～0.05mm。

实施例3：

本发明一方面提供了一种碳碳或碳陶复合材料短纤预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，如图2所示：

s1，按照一定比例将短切碳纤维和树脂混合均匀；所述树脂包括聚氮硅烷、聚碳硅烷、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂等的一种或多种；浸料比例采用质量百分比，树脂含量为0.01％～50％；所述的短切碳纤维由长度为2mm-10mm，或任意多组长度的短切碳纤维比例混合物。

s2，成型，将短切碳纤维预浸料通过挤出机挤出成型，实现连续性的成型产物；成型，将短切碳纤维预浸料挤出成型；为了形成不同形状的预制体，依据不同的需求我们可以在所述固定床安装芯模，以便制造不同形状的预制体，例如一个圆形板，则可在所述固定床形成一个中间为圆形缺口的预制体；又例如是一个心形板，则可在所述固定床形成一个中间为心形缺口的预制体，一般的情况下则是做成饼状。

s3，固化，升温将树脂固化，固化温度根据使用的树脂不同而不同；

s4，分切，将固化好的预制体胚体根据最终制品的厚度进行分切成为多段的预制体,预制体中的纤维的体积密度控制在0.1～0.7g/cm³。

实施例4：

本发明一方面提供了一种短切碳纤维复合材料预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1，按照一定比例将短切碳纤维和树脂混合均匀；所述树脂包括聚氮硅烷、聚碳硅烷、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂等的一种或多种；浸料比例采用质量百分比，树脂含量为0.5％～30％；所述的短切碳纤维由长度为2mm-10mm，或任意多组长度的短切碳纤维比例混合物。

s2，成型，将短切碳纤维预浸料通过挤出机挤出成型，实现连续性的成型产物；成型，将短切碳纤维预浸料挤出成型；为了形成不同形状的预制体，依据不同的需求我们可以在所述固定床安装芯模，以便制造不同形状的预制体，例如一个圆形板，则可在所述固定床形成一个中间为圆形缺口的预制体；又例如是一个心形板，则可在所述固定床形成一个中间为心形缺口的预制体，一般的情况下则是做成饼状。

s3，固化，升温将树脂固化；

s4，分切，将固化好的预制体胚体根据最终制品的厚度进行分切成为多段的预制体,预制体中的纤维的体积密度控制在0.1～0.7g/cm³。

实施例5：

在实施例2的基础上，纤维束或带的厚度优选的为0.01～0.20mm，优选0.01～0.05mm，为了降低成本，优选采用大于12k的纤维纱线制作。

本实施例以碳纤维为例，本案中的编织布可以通用的编织布，优选高体积密度编织布，其参数可参见cn201720691977.1。碳纤维展宽丝宽度选自8±0.5mm、10±0.7mm、16±1mm、20±1mm、27±2mm或34±2.5mm，并且，所述碳纤维编织布面密度相应地选自200±5g/m2、160±5g/m2、100±3g/m2、80±3g/m2、60±3g/m2或48±2g/m2。

本案所说的高体积密度编织布，是指在纤维面内同样分布情况下，纤维布克重越小，表示厚度越薄，也就是说同样体积的情况下，纤维含量越高，高体积密度的编织布的体积密度比常规纤维布大15％-30％，高体积密度编织布是指这样的碳布。

实施例6：

在实施例2的基础上，直接按设定厚度分切。获得短纤预制体。

实施例7：

在实施例2的基础上，如添加碳布,则切薄片贴合碳布至设定厚度。获得短纤预制体。

实施例8

本发明另一方面提供了一种短切碳纤维复合材料制品，包括但不限于刹车材料，其特征在于采用如实施例1、3、5任一项所述的预制体制成。其制备方法包括气相沉积或液相沉积，具体包括以下步骤：

s1，沉积，化学气相沉积，设备采用气相沉积炉或沉积系统，从沉积炉的底部通过多路进气管路向沉积炉内通入碳源气体，碳源气体以一定的流量、流速直接通入到炉体内的沉积室的底部，并发生热解后形成基体碳沉积于坯体产品的内部或表面。

此步骤也可以采用液相沉积，或者气液混合沉积，因为此步骤为公知技术，不在此赘述具体参数。

s2，石墨化；

s3，精加工，按照图纸要求，对制备完成的毛坯进行精密加工成型，获得碳碳刹车盘。

在实施例6的基础上，为了提高刹车盘的耐磨、耐腐蚀性能，可以根据实际使用场景的不同，可以增加渗硅等改性步骤，具体如下：

将制备完成的毛坯置于石墨坩埚中，放入真空烧结炉中，升温至1600～1650℃，保温0.5～1小时，将熔融的si或硅烷气体渗入碳碳刹车盘中，保持约12～20min。降温并取出石墨坩埚，制备出体积密度为1.95～2.16g/cm3的碳纤维增强sic或cf基体复合材料刹车片。

所述的碳碳或碳陶复合材料制品，包括板材、柱材、筒体、球体、环形材料以及其他异形材料。

所述的碳碳或碳陶复合材料制品，包括刹车盘、刹车片、托杆、托盘、电极柱、支撑柱、料架、载板、坩埚、导流筒、保温桶、盖板、支撑环、紧固件、火箭喉衬、发动机喷管、发动机叶片。

实施例8

本发明另一方面提供了一种短切碳纤维复合材料制品，包括但不限于刹车材料，其特征在于采用如实施例2、4、任一项所述的预制体制成。其制备方法包括气相沉积或液相沉积，具体包括以下步骤：

s1，碳化，此为公知技术，不再赘述；

s2，沉积，化学气相沉积，设备采用气相沉积炉或沉积系统，从沉积炉的底部通过多路进气管路向沉积炉内通入碳源气体，碳源气体以一定的流量、流速直接通入到炉体内的沉积室的底部，并发生热解后形成基体碳沉积于坯体产品的内部或表面。

此步骤也可以采用液相沉积，或者气液混合沉积。

s3，石墨化；

s4，精加工，按照图纸要求，对制备完成的毛坯进行精密加工成型，获得碳碳刹车盘。

在实施例8的基础上，为了提高刹车盘的耐磨、耐腐蚀性能，可以根据实际使用场景的不同，可以增加渗硅等改性步骤，具体如下：

将制备完成的毛坯置于石墨坩埚中，放入真空烧结炉中，升温至1600～1650℃，保温0.5～1小时，将熔融的si或硅烷气体渗入碳碳刹车盘中，保持约12～20min。降温并取出石墨坩埚，制备出体积密度为1.95～2.16g/cm3的碳纤维增强sic或cf基体复合材料刹车片。

所述的碳碳或碳陶复合材料制品，包括板材、柱材、筒体、球体、环形材料以及其他异形材料。

所述的碳碳或碳陶复合材料制品，包括刹车盘、刹车片、托杆、托盘、电极柱、支撑柱、料架、载板、坩埚、导流筒、保温桶、盖板、支撑环、紧固件、火箭喉衬、发动机喷管、发动机叶片。

本案以碳碳或碳陶复合材料领域的刹车盘举例说明，但是应该明白，本发明还可以用于碳碳或碳陶复合材料领域的其他制品比如托杆、托盘、坩埚等，同时本发明也可以用于非碳碳或碳陶复合材料领域的制品。

以上公开的本发明优选实施例只是用于助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。