具有高强高摩擦性能的C/C-SiC复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及c/c-sic复合材料，尤其涉及一种具有高强高摩擦性能的c/c-sic复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、c/c复合材料(即碳纤维增强热解碳基体复合材料)，具有密度低、强度高、导热性能优异、摩擦系数稳定及寿命长等优点，被广泛应用于飞机摩擦系统上。但它也存在一定的缺点，如抗氧化性能差、静摩擦系数低、环境适应性差。而对c/c复合材料进行改性处理，如引入sic，具有耐高温性能优良、湿态摩擦性能不衰减、摩擦性能稳定、低磨损率，摩擦性能调节空间大等特点，c/c-sic复合材料被公认为新一代摩阻材料，在飞机、高铁、汽车、工程机械等高速、高能载、苛刻环境制动或传动系统上具有广泛的应用前景。

2、c/c-sic复合材料的制备过程主要包括三步：第一步是根据使用要求，设计合适的碳纤维骨架，目前常见的预制体结构主要是短纤维模压、2d碳布铺层、针刺结构。与前两者相比，针刺c/c-sic复合材料层间剪切强度高，z向导热系数高，有利于散热，可有效提高摩擦性能的稳定性；第二步利用化学气相渗透(cvi)或者浸渍裂解(pip)技术在碳纤维表面制备碳保护层，防止碳纤维硅化，前者存在制备周期长、成本高的缺点，但性能优异；后者存在闭孔多，致密性差的缺点。相关技术团队已获权的公告号cn113277870b、cn214937078u、cn211972152u、cn217997314u均是与碳碳复合材料相关的工艺及装置，通过改变气态前驱体气体流向，提高c/c复合材料化学气相渗透速率及密度的均匀性；第三步是在c/c坯体上制备sic基体，其制备方法有化学气相渗透(cvi)、先驱体转化法(pip)和反应熔体浸渗法(si)三个。其中，cvi和pip法存在制备周期长、成本高及孔隙率大等缺点。而si法又分为液相渗硅(lsi)和气相渗硅(gsi)法，二者均存在制备周期短、孔隙率低和可以近净成型的优势，可以弥补了cvi和pip的不足，相对而言，gsi过程温和，气相硅渗透深度较深，制备的材料组分更均匀，残余硅少，表面质量更好。

3、以上方式制备的c/c-sic复合材料层间剪切强度不高，难以适用于高速重载的场合；以往的碳陶刹车材料存在峰值力矩比过大、噪音的问题，严重影响安全性能。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有高强高摩擦性能的c/c-sic复合材料及其制备方法，将不同制备方法有效地结合，综合多种方法的优势来制备碳陶刹车材料，最终制得同时具有优异的力学性能和摩擦磨损性能的碳陶刹车材料。

2、为实现此技术目的，本发明采用如下方案：

3、具有高强高摩擦性能的c/c-sic复合材料的制备方法，按如下步骤进行：

4、s1、使用穿刺工艺，制备出三维高强度预制体；

5、s2、通过cvi沉积工装将三维高强度预制体制备出密度及结构均匀的具有粗糙层结构的热解碳，以增强对碳纤维的保护，并进行高温石墨化处理得到c/c多孔坯体；

6、s3、将c/c多孔坯体置于真空电阻式高温炉中进行气相渗硅硅化处理，得到c/c-sic陶瓷基复合材料毛坯；

7、s4、对c/c-sic陶瓷基复合材料毛坯进行聚碳硅烷/聚氮硅烷陶瓷前驱体压力浸渍-低温固化-高温裂解陶瓷化处理；

8、s5、将陶瓷化处理的c/c-sic陶瓷基复合材料进行气相渗硅硅化处理，得到一层致密的sic摩擦功能涂层。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

10、(1)本发明通过采用穿刺预制体制造技术，该预制体厚度方向的纤维密度较高，具有优异的机械和良好的热物理性能；

11、(2)本发明通过调整cvi工艺参数及气体流向，制备具有密度及粗糙层结构均匀的热解碳，一方面以增强对碳纤维预制体的保护；另一方面该粗糙层结构热解碳可石墨化程度高，气孔率调节幅度大，有利于调控各相分布，进而保证摩擦性能的稳定；

12、(3)本发明所提出的pip工艺，聚碳硅烷陶瓷前躯体(pcs)压力浸渍-固化和高温裂解(pip)产生富碳的sic晶体，高温下容易与gsi工艺产生的残余硅发生反应，从而减少了硅的残留量，改善了c/c-sic陶瓷基复合材料的摩擦磨损性能以及力学强度；

13、(4)本发明采用gsi技术，最终利用气相渗硅法(gsi)技术与上一步富碳sic得到致密的sic摩擦功能涂层，与基体结合强度好，可同步提高了该材料的抗高温氧化性能；

14、(5)本发明将不同制备方法有效地结合，综合多种方法的优势来制备碳陶刹车材料。最终制得同时具有优异的力学性能和摩擦磨损性能的碳陶刹车材料，实现c/c-sic刹车材料微观结构、力学性能、摩擦磨损性能之间的协同优化，制备出的复合材料具有密度为1.95～2.1g/cm3，开孔率≤5％，残留硅含量≤6wt％，弯曲强度≥280mpa，层间剪切强度≥50mpa；干态平均动摩擦系数0.45～0.55，刹车力矩曲线无杂峰，刹车稳定；湿态动摩擦系数不衰减，静摩擦系数0.5～0.70，线磨损率≤1.0μm/(面﹒次)等优点。

15、本发明的优选方案为：

16、s1采用碳纤维无纬布和碳纤维网胎通过穿刺工艺制作三维高强度碳纤维预制体。

17、碳纤维无纬布(65±5)wt％，碳纤维网胎(35±5)wt％，无纬布方向为0°/45°/-45°/90°，z向纤维选用高模量t700或t800碳纤维，有利于提高z向导热性能；三维高强度碳纤维预制体密度为(0.7～1.0)g/cm3。

18、s2中通过改变气体流向，在等温化学气相沉积炉中对三维高强度碳纤维预制体内部进行热解碳致密化。

19、s2中cvi沉积温度(1050±5)℃，天然气与氮气流量之比的在(2～4)：1之间，炉膛压力(1.0～2.5)kpa，沉积时间为300～500h，c/c多孔坯体的密度控制在1.45～1.5g/cm3。

20、s2中高温石墨化处理为在真空感应高温炉中，ar保护气氛下进行高温石墨化热处理，高温石墨化热处理温度2100～2500℃，保温2～4h。

21、s3中将粒度325目、纯度≥99.4％的工业si粉与c/c多孔坯体进行gsi硅化处理；真空度为10pa～100pa，处理温度1600～1800℃，保温2～4h，c/c-sic陶瓷基复合材料毛坯密度控制在1.95～2.10g/cm3，残留硅含量控制在≤10wt％。

22、对c/c-sic陶瓷基复合材料毛坯进行聚碳硅烷陶瓷前躯体压力浸渍-固化和高温裂解陶瓷化处理工艺为：浸渍压力1.5～2.5mpa，固化温度160～180℃并保温2～4h，陶瓷无机化裂解温度1000～1200℃并保温2～4h，最后进行陶瓷化处理，温度1550℃～1650℃，保温时间2～4h，使c/c-sic陶瓷基复合材料的表面和内部孔隙获得sic陶瓷涂层；最终密度控制在1.9～2.0g/cm3，残留硅含量≤8wt％。

23、s5中将粒度325目、纯度≥99.4％的工业si粉与c/c多孔坯体进行gsi硅化处理；真空度为10pa～100pa，处理温度1600～1800℃，保温2～4h，带有致密的sic摩擦功能涂层的c/c-sic陶瓷基复合材料(具有高强高摩擦性能的c/c-sic复合材料)的密度控制在2.0～2.2g/cm3，残留硅含量控制在≤6wt％。

24、上述方法得到的具有高强高摩擦性能的c/c-sic复合材料。