制动盘用材料的制作方法

专利名称：制动盘用材料的制作方法
制动盘用材料本发明涉及用于摩擦部件、特别是制动盘或离合器盘中的材料。包含制动钳和盘的盘式制动器已被广泛采用，特别是用于汽车应 用。在制动过程中，盘被挤压在安装在制动钳中的摩擦材料的制动块(pad)之间。盘安装为使其绕与车轮旋转轴平行的轴旋转。在使用中，制动盘将需要承受相当大的应力，特别是剪切、摩擦和 磨削力。超过一定时间，制动盘将经常由于磨削力而磨损。当然希望制 造比当前可用的那些更耐磨损的盘。可经受特别高能量制动力的制动盘一般包含某些类型的增强物，这 些增强物常常是诸如布、短纤维和纺织纤维等的一些形式的碳丝。这种 细丝的主要目的在于赋予盘诸如高温下的强度和刚度的高机械性能，使 得它们可承受在高性能应用中制动期间遇到的力。这些应用通常但不限 于在汽车和航空工业中，例如，在高性能跑车和喷气式飞机等的制动系 统中。制动盘可包含碳材料，其可以釆取碳-碳(C/C)复合材料的形式， 例如含有包含在碳基体内的碳布或丝层的制动盘。(术语"碳"以一般意义使用并可指任何类型的碳，包括无定形碳或结晶石墨)。另外，已利 用诸如块状石墨的块状碳层制成制动盘，以缩短C/C复合材料层压体的 长制造时间并降低成本。当然，制动盘还已经使用C/C复合材料和块状 石墨层的组合物。在操作中，制动盘可达到超过1000。C的温度。这种高温导致盘的 氧化(碳氧化的阈值为约1010°C，并且许多用户设置800°C的操作上 限)并导致摩擦和非摩擦区域二者的高磨损速率。各种专利公报教导涂覆盘的非摩擦区域以减少这些区域的氧化和 质量损失。例如，在GB 1544994中教导可对C/C盘的"非磨损"表面涂 覆涂层，以提供氧化限制涂层。专利EP 0 548 196教导对优选为铝金属基体复合材料(MMC )的 金属基体涂覆陶瓷涂层，其意图是通过形成热屏障来提高铝盘的温度能 力。专利申请PCT/GB03/01783教导对碳-碳制动表面涂覆陶瓷涂层。 美国专利6455159公开了通过刷涂、浸涂或其它涂覆技术，在碳/碳制动盘上涂覆的含磷酸铝組合物(但具体排除含磷酸单铝的组合物) 涂层。国际专利公报WO2004/011392公开了用于涂覆碳/碳制动盘的抗 氧化剂涂层组合物。该文件指出不希望用抗氧化剂涂层涂覆制动盘的摩 擦表面，这是因为它降低"制动服务适应性"，即，工作(或摩擦)表面 在涂覆有抗氧化涂层时摩擦性能降低。带涂层制动盘的制动效率由于涂层和基体材料在它们的界面上的 离散性而受到限制。已发现涂层和基体之间的界面是限制这些系统的有 效性的薄弱面。 一般地，已发现对摩擦表面涂覆抗氧化剂涂层降低该表 面的摩擦性能。带涂层制动盘的另一缺点在于，涂层在使用过程中被去 除，从而暴露出制动器的下方制动材料，这可导致暴露于空气的摩擦表 面的氧化增加。因此，希望制造的制动盘优选在盘的整个工作寿命中都 具有比标准碳/碳盘高的抗氧化性，但不表现出比标准碳/碳盘差的制动 性能。一般通过将碳纤维的集合压制在一起并将纤维的集合形成为盘状 体(预制坯)来制成碳/碳制动盘。在一种制造方法中，在含有有机气 体的炉中加热盘状体，使得碳沉积在预制坯块体中的纤维上(CVD/CVI 工艺)。这样，形成碳/碳复合材料。盘状体必须被加热的温度相当高， 并且使用大量的能量和气体来制造盘，CVD工艺有时重复几次。因此， 在这种制造制动盘的方法中包含相当多的时间和成本。因此，希望釆用 消耗更少的能量并花费更少的时间的工艺来制造制动盘。在第一方面中，本发明提供一种形成制动盘用材料的方法，该方 法包括以下步骤(0提供至少一个多孔体；(ii)将用于形成或沉积陶瓷材料的一种或多种前^^材料引入多孔 体的孔隙中；和(iii )通过在多孔体的孔隙内由前体材料形成或沉积陶资材料来形 成制动盘用材料，其中，前体材料是包含陶瓷粒子和/或酸式磷酸盐的悬浮体的液体。在第二方面中，本发明提供一种用于形成制动盘的材料，该材料 包括在其孔隙内包含陶瓷材料的多孔体，其中，陶瓷材料遍布于基本上 整个多孔体中。在第三方面中，本发明提供一种可通过本发明的方法形成的制动 盘用材料。在第四方面中，本发明提供一种用于制动盘的材料，该材料包括在其孔隙内包含选自以下材料中的一种或多种组分的多孔体(i) 化学键合的磷酸盐陶瓷；(ii) 一种或多种陶资材料，其已从包含一种或多种陶瓷材料的粒 子的一种或多种液体悬浮体沉积在所述孔隙内；(iii )可通过将来自液体悬浮体的初始陶资材料的粒子沉积在孔隙 内并然后使这些粒子与磷酸单铝反应形成的陶瓷材料；和(iv)可通过使孔隙内的磷酸单铝玻璃化而形成的陶瓷材料。 可以通过单独引入孔隙体内的各反应物而原位形成化学键合的磷 酸盐陶资。在第五方面中，本发明提供一种包含本发明材料的制动盘。在第六方面中，本发明提供包括一个或多个包含本发明材料的制 动盘的多制动盘堆叠体。"多制动盘堆叠体"是两个或更多个制动盘的集 合。在这方面，不需要堆叠体中的所有制动盘都具有本发明的材料。例 如，在本发明的这一方面，堆叠体中的交替的盘可包含本发明的材料。在第七方面中，本发明提供包含两个可接合的摩擦部件的摩擦系 统，其中，这些部件中的至少一个包含本发明的材料。在以上的方面和以下的说明中，"制动盘"可由"离合器盘"代替。 制动盘和离合器盘由于均提供相对例如制动块(brake pad)或另一离 合器盘的另一部件必须形成摩擦接合的刚性部件，因此它们在汽车或其 它的车辆中必须表现出类似的性能。如本领域技术人员所理解的，离合器是用于传输旋转的机械系统， 其中， 一个旋转物体可与也可旋转的另一物体接合和脱离；这些物体一 般是离合器盘。如上所述，在第一方面中，本发明提供一种用于形成制动盘用材 料的方法，该方法包括以下步骤(i) 提供至少一个多孔体；(ii) 将用于形成或沉积陶资材料的前体材料引入多孔体的孔隙 中；和(iii )通过在多孔体的孔隙内由前体材料形成或沉积陶瓷材料来形 成制动盘用材料，其中，前体材料是包含陶瓷粒子和/或酸式磷酸盐的悬浮体的液体。优选地，前体材料被引入在基本上整个多孔体中。多孔体可在多 孔体的相对的侧面具有第一和第二表面，并且前体材料可被引入多孔体 的一部分中，使得在该部分中，前体材料遍布于从第一到第二表面的基 本上整个多孔体中。可通过在步骤(ii)之前掩蔽多孔体的第一和/或第 二表面的一部分以允许仅将前体材料引入多孔体的一部分中，但允许前 体材料在该部分中从第一表面通往第二表面来实现这一点。多孔体可在 多孔体的相对的侧面具有第一和第二表面，并且前体材料可被引入多孔 体中，使得前体材料遍布于从第 一到第二表面的基本上整个多孔体中。多孔体可包含选自碳、碳化硅和氧化铝的一种或多种材料。优选地，在引入陶瓷材料之前，多孔体包含50重量％或更多、优选卯重量 %或更多的选自碳、碳化硅和氧化铝的一种或多种材料。多孔体可包含 用于制动盘的材料，并可适于用作实施本发明的方法之前的制动盘。多 孔体优选包含碳-碳复合材料。优选地，在步骤(i)中，多孔体中的至少一些孔相互连接。优选 地，多孔体内部的孔与多孔体的自由表面互连。这种多孔体称为具有开 放的互连多孔结构的多孔体。在步骤(i)中，多孔体优选可渗透气体和诸如水的液体。在形成 或沉积陶瓷材料后，制动盘用材料不需要可在其孔隙内渗透气体和/或 水，但是如果希望的话可渗透气体和/或水。在步骤(i)中，多孔体可以是刚性体。多孔体可以具有制动盘的 形状。多孔体可具有环形件的形状。多孔体可包含用于制动盘的材料。 多孔体可包含碳、优选碳-碳复合材料、陶瓷材料或诸如铝合金或钢的 金属。多孔体可包含泡沫陶瓷或泡沫金属或与常规结构材料相比具有相 对较高的孔隙率的那些或它们的组合物。优选地，多孔体包含碳-碳复 合材料。孔优选具有足够大的尺寸，以允许前体材料的陶瓷粒子穿过多孔 体，并且，优选地，多孔材料将包含直径为至少5|im、优选至少10nm、 更优选至少lOOpm、最优选至少300pm的孔。渗透的材料可随后从自 由表面渗入多孔体的内部。在步骤(i)中，多孔体可包含粒子和/或纤维的集合，当在将陶瓷材料引入多孔体之前测量时，该集合优选包含优选50重量％或更多的 碳、更优选卯重量％或更多的碳。粒子和/或纤维可为粒子和/或纤维的 松散结合的集合，即，粒子/纤维没有化学键合在一起。在不进一步加 工为制动盘用材料的情况下，这种粒子或纤维的集合不适于使用。在本 发明的一个方面中，多孔体可以是"生坯体"的压制体，例如，由压缩或 结合在一起的松散结合的粒子和/或纤维构成的多孔体。本发明人发现， 通过使用本发明的方法，将粒子/纤维粘接在一起，并形成适于用作制 动盘的多孔体，即，它在正常制动条件下具有足够的耐久性以用作制动 盘。已经发现，从前体材料形成陶瓷材料所需要的能量的量通常远小 于现有技术中用于形成碳/碳制动盘的方法。使用本发明的方法形成的 多孔体具有易氧化性远低于现有技术制动盘的优点。使用本发明的方法 形成的制动盘的制动性能相当好，并且，令人惊奇的是，常常比现有技 术的碳/碳制动盘有所提高。多孔体可包含含有纤维的布，该纤维可包含碳。多孔体可包含布层。纤维优选具有3 20pm的平均断面直径。"平均直径"是纤维的直径 的算术平均值。纤维优选配置为纤维束。纤维可以具有任意长度或它们 的混合。纤维和/或纤维束可以为织造或非织造的结构。纤维可缝制或 以其它方式配置以制成三维结构。多孔体可包含含有纤维的毡状材料， 该纤维优选包含碳。"毡状材料"是指包含非织造的压缩纤维的材料。"纤维束"是连续纤维的无捻集合。纤维束可包含许多，例如成百 上千根纤维。纤维束优选包含1000根或更多根纤维、更优选包含5000 根或更多根纤维。纤维束可组合在一起，优选无捻，并且在这种配置中 被称为"粗纱"。对于在多孔体内包含的孔隙的体积百分比没有限制。在步骤(i) 中，多孔体优选具有5~40体积％的孔隙率。如果多孔体包含可含有碳的布，那么在步骤(i)中，多孔体的空 气密度优选为50 2500g/m2。空气密度是每单位面积的材料( 一般为布) 的重量，并且一般表达为g/m2。优选地，陶乾粒子包含选自氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钇、 碳化硅、二氧化硅、碳化硼、氮化硼、硼化钛、铁氧化物和氧化铬中的 一种或多种的材料。优选地，粒子的尺寸为10nm 100pm、更优选10nm 10nm，最优 选地，陶资粒子的平均尺寸为10nm 100pm、更优选10nm 10nm。优 选地，陶资粒子的平均尺寸为20nm 200nm。粒子的"尺寸"表示其最大 的断面直径。粒子的"平均尺寸"是粒子的算术平均直径。优选地，前体材料包含陶瓷粒子的溶胶。"溶胶"是固体粒子分散 于液体连续相中的胶体(Oxford Dictionary of Chemistry, Fourth Edition 2000 )。优选地，前体材料具有0.5 7.0的pH值。优选地，前体材料具有 1~5的pH值。优选地，前体材料包含极性溶剂、更优选包含水。前体材料可包含lo~30重量％的陶瓷粒子。优选地，前体材料可 包含15-25重量％的陶瓷粒子。可通过选自真空渗透、将多孔体至少部分浸入前体材料中、用前 体材料涂覆多孔体、和用前体材料喷涂多孔体中的一种或多种技术将前 体材料引入多孔体的孔隙中。可通过使用超声处理搅拌多孔体和前体来 帮助将前体材料引入多孔体中。优选地，施加频率为20 400KHz、更优 选35 80KHz的超声波。优选通过选自将多孔体充电、冷冻多孔体、引入酸性或碱性材料 和将包含具有与悬浮体中的粒子相反电荷的粒子的材料引入孔隙中的 一种或多种，来将前体材料的陶瓷粒子沉积到孔隙中。为了实现陶瓷粒子的沉积，多孔体可被充电到+A3V或更多、优选 +/-10-50V或更多。多孔体可被充电1分钟或更长时间、优选5分钟或 更长时间、更优选10分钟或更长时间、最优选10 45分钟，以允许发 生陶瓷粒子的沉积。沉积过程中的电流密度依赖于碳纤维的表面积和悬 浮体的性质。可通过筒单的实验达到沉积速率和沉积均匀度之间的折 衷。多孔体的复合部分，例如多孔材料(如布)的两个或更多层，可 在陶瓷材料沉积之前或之后组合。可在氧化钇的存在下沉积前体材料的粒子。已发现，溶胶(SOl) 形式的氧化钇有助于某些陶瓷粒子、特别是悬浮体中的具有正电荷的粒 子例如也以溶胶形式悬浮的氧化铝粒子的沉积。还发现，特别是当通过 加热使粒子反应、固化或玻璃化时，氧化钇具有使沉积的陶瓷增韧的优 点。可以在前体材料例如包含陶瓷粒子的溶胶处于多孔体的孔隙内的 同时，向多孔体施加超声波，有助于前体材料的粒子沉积到多孔体的孔隙内。优选地，施加频率为20 400KHz、更优选35 80KHz的超声波。前体材料的粒子一旦沉积到孔隙中，可发生反应、固化或玻璃化 以形成陶瓷材料。多孔体可在步骤(i)中和/或在步骤(ii)和/或(iii)期间或之后 模制成形为制动盘形状。可在步骤(ii)和/或(m)中施加压力以使多 孔体保持制动盘形状。可以通过在步骤(m)中，任选地在孔隙内沉积陶资粒子和/或酸式磷酸盐之后加热多孔体，以在多孔体的孔隙内形成陶资材料。多孔体可在100~300°C的温度下加热第一时间，优选1小时或更长时间；然后， 任选地，在优选为350~370。C的更高温度下加热第二时间，优选1小时 或更长时间。优选地，酸式磷酸盐包含酸式裤酸钾(potassium acid phosphate )、 酸式裤酸钩(calcium acid phosphate )、 酸式裤酸按(ammonium acid phosphate)和酸式裤酸铝(aluminum acid phosphate)中的一种或多 种。优选地，酸式磷酸盐包含磷酸单铝。酸式磷酸盐可在多孔体的孔隙内玻璃化以形成陶瓷材料。酸式磷 酸盐可在没有任何其它的反应剂的情况下固化或玻璃化，即，酸式磷酸 盐可单独地固化或玻璃化。优选地，前体材料包含(i)陶瓷粒子和(ii)酸式磷酸盐和/或磷 酸的悬浮体。在本发明的方法中，包含陶瓷粒子的悬浮体的第一前体液体和包 含酸式磷酸盐和/或磷酸的第二前体液体可单独引入多孔体的孔隙内。 优选地，在引入第二前体液体之前，将第一前体液体的粒子沉积到多孔体的孔隙内。优选地，在孔隙内沉积第一前体液体的粒子之后并在引入 第二前体液体之前，干燥多孔体。优选地，将多孔体加热以使沉积的陶资粒子和酸式磷酸盐反应、 固化或玻璃化。典型的固化条件可根据使用的酸式磷酸盐而改变，但优选在低温(例如，100 130°C)下加热多孔体1 2小时的第一时间，然 后在高温(例如，350~370°C)下加热多孔体第二时间。酸式磷酸盐可在金属氧化物存在下在孔隙内反应，以形成包含化 学键合的磷酸盐陶瓷的陶瓷材料。金属氧化物可以是二价或三价金属氧化物。金属氧化物优选包含氧化铝、氧化钙、铁氧化物、氧化镁和氧化 锌中的一种或多种。本发明提供一种在其孔隙内包含化学键合的磷酸盐陶瓷的多孔体。本发明还提供一种制造如本文所限定的多孔体的方法，该方法包括在多孔体的孔隙内原位形成化学键合的磷酸盐陶资。"化学键合的磷酸盐陶瓷(CBPC)"是本领域中的术语，包括由酸 式磷酸盐和金属氧化物之间的反应形成的材料。在S. Y. Jeong和A. S. Wagh在2002年6月的Materials Technology中发表的题目为 Chemically Bonded Phosphate Ceramics的论文中示出化学键合的磷酸 盐陶瓷以及它们的合成方法。通过引用，将该论文内容特别是其合成磷 酸镁陶瓷、磷酸铝陶瓷和磷酸铁陶瓷的方法并入本文。"酸式磷酸盐，，是 包含磷酸根离子和至少一个氢离子例如HPO,的化学物质。酸式磷酸盐 一般还包含金属离子。磷酸单铝的化学式为A1(H2P04)3。化学键合的磷酸盐陶瓷可部分或完全填充多孔体的一些或全部孔隙。优选地，化学鍵合的磷酸盐陶瓷包含化学键合的二价或三价金属 磷酸盐陶瓷。"化学键合的金属磷酸盐陶瓷"是包含所述金属的化学键合 的磷酸盐陶瓷，它可由所述金属的酸式磷酸盐形成。优选地，化学键合 的磷酸盐陶瓷包含化学键合的磷酸镁陶资、化学键合的磷酸铝酸钩 (calcium aluminate phosphate )陶资、化学键合的磷酸锌陶资、化学键合的磷酸铝陶资和化学键合的磷酸铁陶瓷中的一种或多种。特别优选 的是化学键合的磷酸铝陶瓷，其优选由铝氧化物(氧化铝)和磷酸氢铝 之间的反应形成。
化学键合的磷酸盐陶瓷可包含优选为陶瓷材料的其它材料，这些 材料可以是粉末的形式。在如本文限定的多孔体的制造方法中，这些其 它材料和化学键合的磷酸盐陶瓷的前体可单独地或以相互组合的方式 引入多孔体内。这些其它材料可有助于材料的物理或力学性能，但它们
不必是形成CBPC时的反应剂，尽管它们可在物理上与CBPC互锁 (interlock)。这些其它材料优选但不限于包含陶瓷，例如氧化铝、碳 化硅、二氧化硅、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硼化钛、氧化钇、铁氧化 物和氧化铬，或它们的任意组合。
最优选地，多孔体包含碳材料、更优选碳-碳复合材料，并且，多 孔体在其孔隙内包含化学键合的磷酸铝陶资。
多孔体优选具有5 40体积％的孔隙率，该孔隙率是在将化学键合 的磷酸盐陶资引入孔隙内或在孔隙内形成化学键合的磷酸盐陶瓷之前 测量的。
本发明还提供一种包含如本文限定的多孔体的制动盘。
如上所述，本发明提供一种制造如本文限定的在其孔隙内包含化 学鍵合的磷酸盐陶瓷的多孔体的方法，该方法包括
在多孔体的孔隙内原位形成化学键合的磷酸盐陶瓷。
用于制造化学键合的磷酸盐陶瓷的反应剂和反应条件可以如S. Y. Jeong和A. S. Wagh在2002年6月的Materials Technology中发表的 题目为Chemically Bonded Phosphate Ceramics的论文中所公开的一 样。在该论文中，描述了难溶的金属氧化物和酸式磷酸盐之间的反应并 通过迄今研究的最常见的反应的实例对其进行了描述。
由前体形成化学键合的磷酸盐陶瓷，这些前体优选包含酸式磷酸 盐和金属氧化物。前体可以在水中成为溶液或悬浮体。
优选地，酸式磷酸盐包含酸式磷酸钾、酸式磷酸钙、酸式磷酸铵 和酸式磷酸铝中的一种或多种。特别优选酸式磷酸铝(磷酸氢铝)。
金属氧化物优选是二价或三价金属氧化物，更优选是难溶的金属 氧化物。金属氧化物优选在水中的溶度积pKsp为10~50。金属氧化物可包含氧化铝、氧化钩、铁氧化物、氧化镁和氧化锌中的一种或多种。特 别优选氧化铝。
如本文所说明的，金属氧化物可以在溶液中，并且/或者是液体中 的固体粒子的悬浮体的形式。
如果使用二价金属氧化物，例如氧化镁，那么优选在优选约1300°C 或更高的温度下锻烧二价金属氧化物，使得其晶粒结晶良好并且基本上 去除来自晶粒的微孔。这样将二价金属氧化物特别是氧化镁的溶解度降 低到获得更高产率的化学键合的磷酸盐陶瓷的水平。
如果4吏用氧化铝，那么优选在升高的温度下，优选在100 200°C、 更优选118~170°C、最优选约150°C的温度下实施用以形成化学键合的 磷酸盐陶瓷的反应。这增加氧化铝的溶解度，使得化学键合的磷酸盐陶 瓷的产率增加。
如果使用Fe203作为三价金属氧化物，那么优选使用少量的单质 铁，因为这将三价铁还原为二价铁，因此提高铁在溶液中的总溶解度， 并由此提高化学键合的磷酸盐陶瓷的产率。
化学键合的磷酸盐陶乾的前体还可包含碳化硅、二氧化硅、碳化 硼、氮化硼和硼化钛中的一种或多种。前体还可包含反絮凝剂或诸如硼 酸的緩凝剂(retardant)材料。
酸式磷酸盐可构成少于40重量％的化学键合的磷酸盐陶瓷的前体 的总质量。
优选地，多孔体具有开放的互连孔隙，并且，在孔隙中形成化学
键合的磷酸盐陶资之前，将化学键合的磷酸盐陶瓷的前体引入多孔基体 的至少一些互连孔隙中。
化学键合的磷酸盐陶瓷的至少两个或者可能全部前体可混合在一 起，然后，在形成化学鍵合的磷酸盐陶瓷之前，将所得混合物引入多孔 体的孔隙内。前体可以是酸式磷酸盐和金属氧化物。
化学键合的磷酸盐陶瓷的至少两个或者可能全部前体可单独引入 多孔体的孔隙内。例如，可单独引入酸式磷酸盐和金属氧化物。
可以通过加热使前体固化以形成或增强化学键合的磷酸盐陶资。
可通过以下步骤中的一个或多个，将化学键合的磷酸盐陶资的前体引入多孔体的孔隙中用前体喷涂多孔体；将多孔体浸入前体的混合 物中；用前体涂覆多孔体；使前体真空渗透进入多孔体中，和使前体压 力渗透到多孔体内。优选地，通过首先将前体喷涂到多孔体的至少一个 表面上并然后通过真空渗透将前体吸入多孔体的内部来引入前体。
本发明提供一种在其孔隙内包含化学键合的磷酸盐陶资的多孔 体，该多孔体可通过如本文限定的方法形成。
本发明还提供如本文限定的多孔体作为摩擦材料的用途，该摩擦 材料例如用作制动盘或离合器盘；或者用作例如用作热屏障的高温应用 的结构部件；发动机部件；烘箱部件；窑炉部件；加工金属、玻璃或陶 资的设备；加热器部件；或灯配件。
本发明还提供如本文限定的多孔体在制动盘中的用途。
在多孔体的孔隙内可存在两种或更多种不同类型的化学键合的磷 酸盐陶资(CBPC)的组合。
在其孔隙内包含CBPC的多孔体的性能将依赖于孔隙内的CPBC 的量以及CPBC的构成。可根据所得多孔体希望的性能来确定CPBC 的量和含量。
细悬浮体中具^足够的流动，性以渗透多孔体(这1取决于渗透的方法)。 如上所述，材料还可包含反絮凝剂、分散剂和如在控制细粉末的水悬浮 体的领域中的技术人员所公知的设计用来优化流动性和稳定性的其它 添加剂。分散剂可来自由CIBA制造的Dispex系列的分散剂。
选择金属氧化物的粒级，以优化对于多孔体的引入和CBPC反应 的速度和程度。如果渗透材料由几种不同的金属氧化物构成，那么各粉 末可以具有不同的粒级；类似地，如果使用单一金属氧化物，那么金属 氧化物可包含两种或更多种不同的粒级的粉末。
术语"碳"在一般的意义上使用并包括无定形碳或结晶石墨。
在渗透之后，可通过使用适于对在渗透混合物中使用的微粒和粉 末的特定组合使用和优化的特定CBPC反应或反应的组合的加热循环 来使整个多孔体固化。或者，CPBC可在室温(例如，20。C)或低于室 温的温度下固化，包括水冻处理。
优选地，多孔体的表面具有精细的表面光洁度，并优选具有高于5微米Rz的平均表面粗糙度。优选地，多孔体的表面具有小于30微米 Rz的表面粗糙度。优选地，平均表面粗糙度为5 30微米Rz。可通过 使用本领域技术人员公知的技术改变表面粗糙度。
为了提高制动性能，如本领域技术人员公知的，也可通过诸如对 盘进行开槽、切割或钻孔的技术来对盘的表面进行最后加工。可通过诸 如掩蔽的工艺在盘的不同部分中控制浸渍程度，并由此可改变盘内的热 能流动。
在本发明的方法中，优选步骤(iii)形成制动盘。
在第二方面中，本发明提供一种用于形成制动盘的材料，该材料 包含在其孔隙内含有陶瓷材料的多孔体，其中，陶瓷材料遍布于基本上 多孔体的至少一部分中。如果多孔体是在盘的平面上具有第一和第二相 对表面的盘的形式，那么陶瓷材料可在盘的至少一部分中(或者，任选 地，在全部盘中)遍布于从第一到第二表面的基本上整个盘中。换句话 说，当通过多孔体的该部分切取断面时，将观察到陶瓷材料优选以基本 上一致的浓度(按占单位体积的多孔体陶瓷材料的质量计，例如，g/cm3) 遍布于从第一到第二表面的整个该部分中，例如，优选从第一表面到第 二表面陶瓷材料的浓度变化不大于20%。优选地，在第一和第二表面处 或其正下方存在陶资材料的盘的一部分中，盘的该部分中的多孔体的第 一和第二表面之间的任意点上的给定立方厘米(或者，更优选地，125mm 的单位体积)的陶瓷材料的浓度不为零。在这种盘的制备中，盘的不同
部分可在合成过程中掩蔽，以防止陶瓷材料渗入盘中。
"遍布于基本上整个多孔体"包括但不限于在包含陶瓷材料的孔隙 之间具有小于3mm、优选小于2mm、最优选小于lmm的多孔体。
陶瓷材料以相当一致的浓度存在于从第一到第二表面的多孔体的 孔隙中的优点在于，在使用中，在多孔体的摩擦表面(即，第一或第二 表面)在使用中被磨掉时，多孔体的磨损和/或性能保持相对恒定。
在第三方面中，本发明提供一种用于制动盘的材料，该材料可通 过本发明的方法形成。
在第四方面中，本发明提供一种用于制动盘的材料，该材料包含 在其孔隙内包含选自以下材料的一种或多种组分的多孔体 (i)化学键合的磷酸盐陶瓷；(ii)从包含一种或多种陶资材料粒子的一种或多种液体悬浮体沉
积到孔隙内的陶资材料；
(iii )可通过将来自液体悬浮体的初始陶瓷材料的粒子沉积到孔隙 内并然后使这些粒子与磷酸单铝反应形成的陶瓷材料；
(iv) 可通过使孔隙内的磷酸单铝玻璃化形成的陶瓷材料；和
(v) 可通过单独引入多孔体内的反应物原位形成的化学键合的磷 酸盐陶瓷材料。
在第五方面中，本发明提供一种包含本发明的材料的制动盘。
本发明还提供包含本发明的材料的离合器盘。离合器盘的仅仅一 部分包含本发明的材料。与上述制动盘类似，离合器盘可在离合器盘的 相对的侧面具有第一和第二表面，并且，在离合器盘的至少一部分中， 本发明的材料遍布于离合器盘从第 一到第二表面的基本上整个部分。
在第六方面中，本发明提供一种包括一个或多个含有本发明的材 料的制动盘的多制动盘堆叠体。"多制动盘堆叠体"是两个或更多个制动 盘的集合。在这一方面中，不是堆叠体中的所有的制动盘都需要具有本 发明的材料。例如，在本发明的这一方面中，堆叠体中的交替的盘可包 含本发明的材料。
在第七方面中，本发明提供一种摩擦系统，该摩擦系统包括两个 可接合的摩擦部件，其中，这些部件中的至少一个包含本发明的材料。 一个部件可以是制动盘，另一部件可以是制动块，所述制动盘包含本发 明的材料。或者， 一个或两个部件是离合器盘。
可接合的摩擦部件二者均可包含本发明的材料，或者，仅可接合 的摩擦部件中的一个可包含本发明的材料。优选地， 一个或两个可接合 的摩擦部件优选地在一个部件与另 一部件接合的表面上具有30微米Rz 或更小的平均表面粗糙度。
制动块可包含不是本发明材料的材料。制动块可包含常规的制动 块材料，这些常规的制动块材料可包括如磨料例如氧化铝或硅、润滑剂 例如石墨或硫化物、负载物、弹性体、金属、聚合物纤维和粘接树脂。 一个或多个制动块可分别以常规的方式安装在制动钳中。
如果多孔体是制动盘或形成制动盘的一部分，那么可通过控制在 盘上实施的表面修整操作来提高盘的各个方面的性能。特别地，可通过制成具有良好的表面光洁度(优选30微米Rz或更小、更优选5~30微 米Rz的平均表面粗糙度)的盘，可同时提高盘的摩擦系数、初始握力 (initial bite)和研配性(bedding-in )。优选地，至少盘的磨损表面具 有优选5 30微米Rz的良好的表面粗糙度。根据Rz ISO标准测量平均 表面粗糙度，该平均表面粗糙度也被称为"十点平均粗糙度"。通过使用 未过滤的剖面，求得测量长度上的五个最高的峰的高度和五个最低的谷 的深度的平均值，以计算平均表面粗糙度。
已发现，根据本发明制造的制动盘可与由包括有机、有机金属、 碳-金属、碳-陶资和碳-碳的各种不同的材料制成的制动块以及本领域技 术人员公知的其它制动块一起使用。适用于未加工盘(未处理盘)上的 碳-碳制动块是优选的。很显然，不同的制动块材料给予可能是或可能 不是所希望的不同的制动响应。
可通过使用本发明的多孔体制成的部件包括制动盘和类似的摩 擦产品、热屏障、发动机部件、烘箱部件或窑炉部件、加工金属、玻璃 或陶瓷的设备、加热器部件、灯配件和其它的高温结构部件。
最优选地，本发明是包含如本文限定的多孔体的制动盘，其中， 多孔体包含碳-碳复合材料，并在其孔隙内具有化学键合的磷酸铝陶瓷。
多孔体也可用于形成用于在部件将经受高应力和/或高温的环境 中使用的其它部件。这些部件可以是用于汽车(包括载重车辆)、航空、 铁路、机器工具、医疗或建筑工业中的部件。
现在将通过以下的非限制实施例说明本发明。
实施例 实施例1
实施例1示出在标准碳-碳制动盘的孔隙内形成化学键合的磷酸 铝陶瓷。在化学键合的磷酸盐陶瓷形成之前，将前体渗入盘的孔隙内。 与在相同的条件下测试的标准盘相比，渗入的盘具有优越的性能。
该实施例使用如一级方程式赛车使用的并由Carbon Industrie制 造的通风碳-碳盘。可以使用任何类型的碳-碳制动，包含非通风盘。
待渗入的混合物由65% (重量)的氧化铝粉末(F600 )和达到
200.60 1.0的pH值的磷酸单铝(A1(H2P04)3)的酸性水溶液构成。将这 些成分混合在一起并喷涂到盘的摩擦表面上，使得存在过量的混合物。 然后用气密塑料掩蔽盘的剩余部分，使得可通过盘内的通风孔(当盘在 汽车上操作时用于冷却)形成真空。在对这种结构施加真空(<250托) 时，混合物从表面被吸入盘体内。共施加真空10分钟。在水中将过量 的残留物清洗掉。在渗入和清洗后，通过使用以下的加热循环使整个部 件固化100。C下保温l小时；以每小时135°C的速度升温到370。C并 在370°C的温度下再保温1小时。将盘修整到根据Rz ISO标准测量的10微米Rz的平均表面粗糙度。在英国Hinckley的Brake Testing International Ltd的制动测力计 上测试使用上述方法制成的盘。通过使用16.67Kg.m2的惯量、lOOONm 的施加扭矩和2400~800rpm的减速，对盘进4亍测试。发现在总共500 次停止之后，标准碳-碳盘的厚度减小1.62mm,而经处理的盘的厚度仅 减小0.62mm。因此，在该试验中，与标准盘相比，经处理的盘的磨损 减少超过60%。经处理的盘的摩擦性能与对照盘相当。进一步对使用相同的参数渗入两次的类似盘进行测试；根据Rz ISO标准测量的盘的平均表面粗糙度为10 Rz。通过使用22.54Kg.m2的 更高的惯量，经25次停止的缩短的试验周期来测量磨损。在碳-碳对照 物上的磨损测量为0.21mm,而经处理的盘的磨损测量为0.02mm。这 等同于设计的500次停止试验序列的4.2mm和0.4mm。因此，在该试 验中，与标准盘相比，经处理的盘的磨损减少超过90%。应注意，可以使用渗入参数的变化，以生产盘磨损和摩擦特性的 期望组合。实施例2从具有以下规格的由PRF Composites提供的材料上切取直径为 50mm的碳纤维圆布。规格为空气密度约450g/m2，双轴织造45度 225 gsm和-45度225 gsm缝制的双层-6k纤维束尺寸CX009。将这些圆布中的两个浸入含有Alumina Sol的浴中。Alumina Sol 是由Nano Technologies Inc.提供的NYACOL AL 20。 Sol包含20重量。/o的悬浮于水中的具有50nm的粒子尺寸的氧化铝，其具有pH 4和正 电荷。这两个圆布与电路连接，使得其中一个圃充正电(阳极)，另一 个充负电(阴极)。横跨两个电极施加12V电压10分钟，并且观察到 在阴极上形成均匀的氧化铝凝胶沉积层。从装置中取出阴极并用 一片新 的碳布代替它。然后重复该过程。整个过程重复五次以产生浸渍有氧化 铝的五片碳布。然后，将这五片碳布空气干燥过夜，这时观察到它们是 指触干燥的。用磷酸单铝(43.0重量％)和磷酸(6.9重量％)的水溶液喷涂五 片干燥的碳布并达到饱和。然后将它们相互放在顶部，以形成堆叠体， 并将它们放在50mm直径的铝模中。模腔在深度上比堆叠体短，使得可 通过向模体压紧固定盖子的螺栓而向碳布堆叠体施加机械压力。模深度完全压紧为10mm.然后对铝模和堆叠体进行热处理100。C下保温l小时；200。C下 保温l小时；300。C下保温l小时；400。C下保温l小时，然后炉冷。从铝模中抽出完成的部件，然后对其进行非标准力学落锤试验， 从该试验示出与标准C/C相当的韧性。实施例3通过使用碳纤维布并单独地用氧化铝SOL和磷酸中的磷酸单铝溶 液对其进行处理来制成制动盘。在本实施例中使用的碳布是空气密度为约9008/1112的平紋织物。纤 维的平均尺寸为6~9nm，每一纤维束中有48000根纤维。碳纤维布由英 国的Advanced Composites Group供给。纤维由PAN源生产。通过在 使用前用丙酮处理去除碳纤维的浆层。从碳布上切取

图1所示的具有340mm外径和232mm内孔的环。 采取以下方式对它们进行单独处理。将碳纤维环(现在称为阴极)夹入 由铝制成的夹具中。在夹具内还包含形状与该环类似的上下碳纤维环 (称为阳极)。对于每一个阴极重复使用阳极。配置夹持状态(jigging)， 使得阴极和阳极的平面平行并分开15mm。夹具与电路连接，使得阳极 被充正电，阴极被充负电。将夹具浸沉到氧化铝溶胶(Sol)的表面下。所使用的具体Sol是 由Nano Technologies Inc.供给的NYACOL AL 20。 Sol包含20重量％ 的悬浮于水中的具有50nm的粒子尺寸的氧化铝，其具有pH4和正电荷。在阴极和阳极之间施加3V的电压共30分钟。观察到在阳极的表 面上沉积均匀分布的氧化铝。从Sol中取出阴极并使其在室温下干燥几个小时，直到指触干燥。对于五个单独的阴极重复上述过程。用磷酸单铝(43.0重量％) 和磷酸(6.9重量％)的水溶液对它们进行喷涂并达到饱和，并轻轻将 它们压在一起。将这样形成的预制坯放在铝工具中，并以通常用于制造 碳纤维环氧树脂复合材料的方式在真空袋组合件中对其进行包封。配置 工具，使得在对于真空袋抽气时，向预制坯的顶表面和底表面施加均匀 的压力。然后将组装的工具和预制坯放在高压釜(90psi)中，并以100°C/ 小时加热到105。C，并在该温度下保持l小时，然后允许空气冷却。然后从真空袋中取出组装的预制坯和工具，并进一步将其以 135。C/小时加热到370°C并在370。C下保持4小时。然后将组件炉冷却。然后从工具中取出完成的预制坯并对其进行机械加工以制造成品 制动盘。
权利要求
1.一种形成制动盘用材料的方法，该方法包括以下步骤(i)提供至少一个多孔体；(ii)将用于形成或沉积陶瓷材料的一种或多种前体材料引入所述多孔体的孔隙中；和(iii)通过在所述多孔体的孔隙内由所述前体材料形成或沉积所述陶瓷材料来形成所述制动盘用材料，其中，所述前体材料是包含陶瓷粒子和/或酸式磷酸盐的悬浮体的液体。
2. 如权利要求1所述的方法，其中将所述前体材料引入基本上整个所 述多孔体。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中所述多孔体包含选自碳、碳化 硅和氧化铝的一种或多种材料。
4. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述多孔体包含碳-碳 复合材料。
5. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤(i)中，所 述多孔体包含含有碳的纤维的集合。
6. 如权利要求5所述的方法，其中所述纤维具有3 2(Him的平均直径。
7. 如权利要求5或6所述的方法，其中所述纤维配置为纤维束。
8. 如权利要求5-7中的任一项所述的方法，其中，在步骤(i)中，所 述纤维和/或所述纤维束是织造或非织造结构。
9. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤(i)中，所 述多孔体包含含有纤维的毡状材料，所述纤维包含碳。
10. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述多孔体具有开放 的互连孔隙。
11. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤(i)中， 所述多孔体具有5~40体积％的孔隙率。
12. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述多孔体包含碳布， 并且，在步骤(i)中，所述碳布的空气密度为50 2500g/m2。
13. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述陶瓷粒子包含选自氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钇、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、氮 化硼、硼化钛、铁氧化物和氧化铬中的一种或多种材料。
14. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述陶瓷粒子具有 20nm 200nm的平均尺寸。
15. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述前体材料包含陶 资粒子的溶胶。
16. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述前体材料具有 0.5~7.0的pH值。
17. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述前体材料具有1~5 的pH值。
18. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述前体材料包含水。
19. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述前体材料包含 10~30重量％的陶瓷粒子。
20. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述前体材料包含 15~25重量％的陶乾津立子。
21. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中通过选自真空渗透、 将所述多孔体至少部分浸入所述前体材料中、用所述前体材料涂覆所述 多孔体和用所述前体材料喷涂所述多孔体中的一种或多种技术，将所述 前体材料引入所述多孔体的孔隙中。
22. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中通过选自将所述多孔 体充电、冷冻所述多孔体、引入酸性或碱性材料、和将包含具有与悬浮 体中的粒子相反电荷的粒子的材料引入所述孔隙中的一种或多种手段， 将所述前体材料的陶乾粒子沉积到所述孔隙中。
23. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在氧化钇存在下，沉 积所述前体材料的粒子。
24. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤(ii)和/或 步骤(iii)中，使所述多孔体和所述前体材料暴露于超声处理。
25. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述前体材料的粒子 一旦沉积到所述孔隙中就发生反应、固化或玻璃化以形成所述陶瓷材 料。
26. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述酸式磷酸盐包含 酸式磷酸钾、酸式磷酸钓、酸式磷酸铵和酸式磷酸铝中的一种或多种。
27. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述酸式磷酸盐包含 磷酸单铝。
28. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述酸式磷酸盐在所 述多孔体的孔隙内玻璃化以形成所述陶瓷材料。
29. 如前所述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述前体材料包含 (i)陶瓷粒子的悬浮体和(ii)磷酸和/或酸式磷酸盐。
30. 如权利要求1~28中的任一项的方法，其中将包含陶瓷粒子的悬浮 体的第一前体液体和包含酸式磷酸盐和/或磷酸的第二前体液体单独引 入所述多孔体的孔隙内。
31. 如权利要求29或30所述的方法，其中所述陶瓷粒子包含氧化铝。
32. 如权利要求30所述的方法，其中在引入所述第二前体液体之前， 将所述第一前体液体的粒子沉积到所述多孔体的孔隙内。
33. 如权利要求31或32所述的方法，其中在所述孔隙内沉积所述第一 前体液体的粒子之后并在引入所述第二前体液体之前，干燥所述多孔 体。
34. 如权利要求32或33所述的方法，其中加热所述多孔体以使沉积的 所述陶瓷粒子和所述酸式磷酸盐/磷酸反应、固化或玻璃化。
35. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述酸式磷酸盐在金 属氧化物存在下在孔隙内反应以形成陶瓷材料，所述陶瓷材料包含化学 键合的磷酸盐陶瓷。
36. 如权利要求35所述的方法，其中所述金属氧化物是二价或三价金 属氧化物。
37. 如权利要求35所述的方法，其中所述金属氧化物包含氧化铝、氧 化钙、铁氧化物、氧化镁和氧化锌中的一种或多种。
38. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，步骤(iii)或随后 的处理由所述制动盘用材料形成制动盘。
39. 如权利要求1~37中的任一项所述的方法，该方法包括在步骤(i)中，提供两个或更多个多孔体并将所述多孔体放在一起，以形成组合的多孔体；和在所述组合的多孔体上实施步骤(ii)和(iii)，以形成所述制动 盘用材料。
40. 如权利要求1~37中的任一项所述的方法，该方法包括 提供两个或更多个多孔体并将所述多孔体放在一起以形成组合的多孔体，所述组合的多孔体可以是多制动盘堆叠体，其中所述多孔体中 的至少一个在其孔隙内包含陶瓷材料。
41. 如权利要求39所述的方法，其中，在步骤(iii)中，所述组合的 多孔体形成多制动盘堆叠体。
42. —种用于形成制动盘的材料，包括在其孔隙内包含陶瓷材料的多孔 体，其中所述陶瓷材料遍布于基本上整个所述多孔体中。
43. —种用于制动盘的材料，所述材料可由如权利要求1~39中的任一 项所限定的方法形成。
44. 一种用于制动盘的材料，包括在其孔隙内包含选自以下材料的一种 或多种组分的多孔体(i) 化学键合的磷酸盐陶瓷；(ii) 由包含陶瓷材料的粒子的液体悬浮体沉积到孔隙内的陶瓷材料；(m)可通过将来自液体悬浮体的初始陶瓷材料的粒子沉积到孔隙 内并然后使这些粒子与磷酸单铝反应形成的陶瓷材料；和 (iv)可通过使孔隙内的磷酸单铝玻璃化形成的陶瓷材料。
45. —种制动盘，包含如权利要求42 44中的任一项所限定的材料。
46. 如权利要求43所述的制动盘，其中仅所述制动盘的一部分包含如 权利要求42~44中的任一项所限定的材料。
47. 如权利要求45或46所述的制动盘，在所述盘的相对的侧面具有第 一和第二表面，并且，在所述盘的至少一部分中，如权利要求42 44中 的任一项所限定的材料遍布于所述盘从第一到第二表面的基本上整个 所述部分中。
48. —种多制动盘堆叠体，包括如权利要求45 47中的任一项所限定的 制动盘。
49. 如权利要求45-47中的任一项所述的制动盘或如权利要求48所述的多制动盘堆叠体，其中所述制动盘或所述堆叠体中的至少 一个盘的平均表面粗糙度为30微米Rz或更小。
50. —种离合器盘，包含如权利要求42 44中的任一项所限定的材料。
51. 如权利要求47所述的离合器盘，其中仅所述离合器盘的一部分包 含如权利要求42 44中的任一项所限定的材料。
52. 如权利要求50或51所述的离合器盘，具有在所述离合器盘相对的 侧面的第一和第二表面，并且，在所述离合器盘的至少一部分中，本发 明的材料遍布于所述离合器盘从第 一到第二表面的基本上整个所述部 分中。
53. —种摩擦系统，包括两个可接合的摩擦部件，其中所述部件中的至 少一个包含如权利要求42~44中的任一项所限定的材料。
54. 如权利要求53所述的摩擦系统，其中一个部件是制动盘，另一部 件是制动块，所述制动盘包含如权利要求42 44中的任一项所限定的材 料。
55. 如权利要求53所述的摩擦系统，其中一个或两个部件是离合器盘。
56. 如权利要求53 55中的任一项所述的摩擦系统，其中两个部件均包 含如权利要求42 44中的任一项所限定的材料。
57. 如权利要求53 56中的任一项所述的摩擦系统，其中一个或两个部 件具有30微米Rz或更小的平均表面粗糙度。
全文摘要
提供一种形成制动盘用材料的方法，该方法包括以下步骤(i)提供至少一个多孔体；(ii)将用于形成或沉积陶瓷材料的一种或多种前体材料引入多孔体的孔隙中；和(iii)通过在多孔体的孔隙内由前体材料形成或沉积陶瓷材料来形成制动盘用材料，其中前体材料是包含陶瓷粒子和/或酸式磷酸盐的悬浮体的液体。
文档编号C23C30/00GK101248287SQ200680024487
公开日2008年8月20日 申请日期2006年6月2日 优先权日2005年6月3日
发明者马丁·墨菲 申请人:亨特孔顾问有限公司