本发明属于碳陶制动件制备技术领域，具体涉及一种碳陶制动件及其制备方法，特别涉及一种轨道交通用碳陶制动件及其制备方法。
背景技术：
传统的轨道交通用摩擦副(如制动盘或刹车片)的摩擦材料主要为树脂基复合材料和粉末冶金材料，摩擦副的制动盘为铸铁和铸钢材质。采用该摩擦副的列车在制动过程中，制动温度过高时，其上会掉落含有大量树脂的粉尘，粉尘中的树脂在300度左右溶解掉落下来，粘结在制动盘、刹车片和车轮上，影响列车运行和制动效果。再者金属基的摩擦副在高温时会出现开裂、热损伤等，制动时的啸叫声过大，造成噪音污染。
为了避免上述缺陷，现有技术采用碳陶复合材料来制备刹车盘或刹车片。碳陶复合材料最早在20世纪70年代研制出来，其具有高温条件下质量轻、能载高、耐高温能量强、使用寿命长等特点，目前碳陶复合材料的制备方法主要包括如下几种：(1)化学气相渗透法；(2)熔体浸渗法；(3)浸渍裂解法；(4)热压烧结法；(5)温压-原位反应法等等。其中浸渍裂解法是利用有机高分子材料的流动性、成型性等特点，使高分子材料在高温下裂解转化成无机陶瓷的一种方法。
如中国专利文献公开了一种碳陶复合材料制动盘及制备方法。其中的制动盘由碳陶复合材料制成，以质量百分比计，所述碳陶复合材料包括下述组分：碳纤维12-20％，基体碳20-45％，SiC 30-55％，Si 2-6％，所述碳纤维的长度为15-30mm。相应的制备方法，包括如下步骤：(1)制备碳纤维增强柸体；(2)制备碳碳多孔体：将所述碳纤维增强柸体在保护气氛下于600-850℃进行碳化，得到碳/碳多孔体；(3)制备C/C-SiC复合柸体：将所述碳/碳多孔体加工出沉孔后浸渍由聚碳硅烷和二乙烯基苯配成的混合溶液后，在保护气氛下进行交联固化、裂解，生成SiC基体；重复浸渍、交联固化、裂解工艺，直至所得C/C-SiC复合坯体的密度为1.6-1.9g/cm3；所述混合溶液中聚碳硅烷与二乙烯基苯的质量比为1：0.2-0.4；交联固化的温度为120-160℃；裂解的温度为1200-1500℃；(4)制备C/C-SiC复合坯体表面摩擦层：在保护气氛下，将所述C/C-SiC复合坯体放入液态硅中浸渍2-5min，得到摩擦表面层为硅的C/C-SiC复合坯体；(5)抗氧化处理，得到碳陶复合材料制动盘。上述技术制得的碳陶复合材料制动盘应用于长丰CS6型汽车用碳陶制动盘，检测表明其各项性能符合CS6型汽车制动要求。
但是，上述碳陶复合材料中的基体碳含量达到20-45％，再者将碳/碳多孔体浸渍由聚碳硅烷和二乙烯基苯配成的混合溶液中，在保护气氛下进行交联固化、裂解，生成SiC基体，在上述裂解的过程中会产生游离的碳，进一步提高了碳陶复合材料中基体碳含量，造成基体碳含量过高，而碳作为减摩材料，过高的碳含量会降低了制动盘的摩擦系数，影响制动盘的刹车性能。再者，因为碳纤维预先从液态树脂或沥青中穿过，经干燥后会在其表面形成一层碳层，表面具有碳层的碳纤维很难与聚碳硅烷和二乙烯基苯配成的混合溶液接触并在其中充分浸渍，导致碳陶制动盘中成分分布不均匀，不同部位性能一致性差。
技术实现要素：
为此，本发明所要解决的是现有碳陶制动件存在摩擦系数低以及成分分布不均匀的缺陷，进而提供一种摩擦系数高、刹车性能好、成分分布均匀、性能一致性好、制备过程简单的碳陶制动件及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明所提供的碳陶制动件，包括碳化硅、硅和碳纤维，所述碳化硅、所述硅和所述碳纤维的质量比为(40-60)：(10-18)：(25-35)。
所述碳陶制动件为刹车盘和刹车片，一般每个刹车盘配套2对刹车片。
本发明还提供了一种碳陶制动件的制备方法，包括如下步骤：
制备碳纤维柸体：将碳纤维编织或叠层形成碳纤维柸体；
制备含硅先驱体溶液：将聚硅烷、过氧化二苯甲酰和硅烷偶联剂混合形成含硅先驱体溶液；
将所述碳纤维柸体浸渍于所述含硅先驱体溶液中；
所述浸渍结束后，取出所述碳纤维柸体，在惰性气氛下，依次经过固化和裂解，制得所述碳陶制动件。
优选地，所述聚硅烷、所述过氧化二苯甲酰和所述硅烷偶联剂的质量比为(50-70)：(30-45)：(1-3)。
所述聚硅烷与所述碳纤维柸体的质量比为(50-70)：(15-35)。
优选地，所述浸渍的温度为20-40℃，压力为0.3-0.6Mpa。
优选地，所述浸渍的时间为5-15min。
优选地，所述固化的温度为100-130℃；
所述裂解的温度为1000-1300℃。
进一步地，所述固化的温度为110-115℃；
所述裂解的温度为1100-1150℃。
优选地，所述固化的压力为1-2Mpa；
所述裂解的压力为3-5Mpa。
优选地，所述固化的时间为0.5-1h；
所述裂解的时间为10-15h。
进一步地，所述硅烷偶联剂为KH550、KH560、KH570、KH540、A172或A171中的至少一种，当然，本领域技术人员还可选择其它类型的硅烷偶联剂，同样能实现本发明的目的。
所述聚硅烷为聚甲基硅烷，所述聚甲基硅烷的平均分子量为800-1200。，当然，本领域技术人员还可选择其它类型聚硅烷，同样可以实现本发明的目的。
所述碳纤维柸体由无纬单向碳布与碳纤维布叠层，并针刺形成一体。
本发明还提供了由上述制备方法制备得到的刹车片、制动盘或由所述刹车片和制动盘组成的摩擦副。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明实施例所提供的碳陶制动件，包括碳化硅、硅和碳纤维，成分简单，组分配比合理，碳含量低，使碳陶制动件具有高的摩擦系数，可达到0.4，制动性能好，成分分布均匀、性能一致性好，同样测试条件下，同一碳陶制动件不同部位的物理性能和摩擦性能均一致，不同厚度的碳陶制动件的物理性能和摩擦性能基本一致。
(2)本发明实施例所提供的碳陶制动件的制备方法，将碳纤维柸体直接浸渍于聚硅烷、过氧化二苯甲酰和硅烷偶联剂混合所形成的含硅先驱体溶液中，碳纤维柸体能与含硅先驱体溶液直接接触，并在其中充分浸渍，含硅先驱体溶液中的各成分附着在碳纤维表面或进入其内部，并在其中均匀分布，进而增强碳陶制动件的性能一致性程度；再对浸渍后的碳纤维柸体进行固化和裂解，通过固化使各成分稳定在碳纤维柸体表面和内部，再通过裂解，使聚硅烷裂解为碳化硅和硅，同时不会产生多余的游离碳，降低碳陶制动件中的碳含量，提高了其摩擦系数，进而提高了其制动性能。
(3)本发明实施例所提供的碳陶制动件的制备方法，含硅先驱体溶液中采用的过氧化二苯甲酰能促使聚硅烷快速裂解为碳化硅和硅，缩短了裂解时间；采用的硅烷偶联剂能结合裂解后生成的硅，避免硅与碳纤维直接接触并在裂解温度下发生的硅碳反应，降低了Si对碳纤维的损伤，提高了碳陶制动件力学性能，如抗压强度等。
(4)本发明实施例所提供的碳陶制动件的制备方法，控制浸渍的温度、时间和压力，保证了碳纤维柸体能在含硅先驱体溶液中充分浸渍，使含硅先驱体溶液中的各成分有效附着在碳纤维表面或进入其内部，并在其中均匀分布，进而增强碳陶制动件的性能一致性程度。
(5)本发明实施例所提供的碳陶制动件的制备方法，通过该方法制得的碳陶制动件具有密度低、摩擦性能稳定、摩擦量小、耐高温、使用寿命长等优点。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明做进一步描述。本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。
实施例1
本实施例提供了一种碳陶刹车片及其制备方法。所述碳陶刹车片包括碳化硅、硅和碳纤维，所述碳化硅、所述硅和所述碳纤维的质量比为50：14:30；
所述碳陶刹车片的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备碳纤维柸体：先用材质为12K碳纤维的无纬单向碳布与材质为24K双向碳纤维的碳纤维布按无纬单向碳布方向0°/45°/90°/135°依次叠加在钢背上，然后利用棱边上带倒钩刺的针对无纬单向碳布和碳纤维布进行针刺，当针刺入时，倒钩刺将碳纤维布的纤维带向垂直方向，使无纬单向碳布和碳纤维布成为一体，一起附着在钢背上，最终制备出带钢背的碳纤维胚体；
(2)制备含硅先驱体溶液：将平均分子量为1000的聚甲基硅烷、过氧化二苯甲酰和硅烷偶联剂KH550的按质量比为30：20：1混合均匀，形成含硅先驱体溶液；
(3)将所述碳纤维柸体浸渍于所述含硅先驱体溶液中，浸渍的过程中，控制浸渍的温度为30℃、压力为0.45Mpa、时间为10min，保证所述碳纤维柸体与所述聚甲基硅烷的质量比为3:1；
(4)所述浸渍结束后，取出所述碳纤维柸体，在氮气气氛保护下，将其于115℃、1.5Mpa下固化0.7h，将固化后的碳纤维柸体于1150℃、4Mpa下裂解12h，制得厚度为15mm的具有致密结构的碳陶刹车片。
对上述制得的碳陶刹车片进行性能方面的测试，测试结果如下：碳陶刹车片的摩擦系数为0.38、密度为2.08g/cm3、洛氏硬度(HRC)为88、抗压强度为411MPa、在20℃下的抗弯强度为433MPa、在400℃下的抗弯强度为428MPa。通过测试碳陶刹车片不同部位的摩擦系数、密度、洛氏硬度、抗压强度和抗弯强度，结果表明碳陶刹车片不同部位的相应性能均一致，进而表明碳陶刹车片成分分布均匀、性能一致性好。
实施例2
本实施例提供了一种碳陶刹车片及其制备方法。所述碳陶刹车片包括碳化硅、硅和碳纤维，所述碳化硅、所述硅和所述碳纤维的质量比为60：10:35；
所述碳陶刹车片的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备碳纤维柸体：先用材质为12K碳纤维的无纬单向碳布与材质为24K双向碳纤维的碳纤维布按无纬单向碳布方向0°/45°/90°/135°依次叠加在钢背上，然后利用棱边上带倒钩刺的针对无纬单向碳布和碳纤维布进行针刺，当针刺入时，倒钩刺将碳纤维布的纤维带向垂直方向，使无纬单向碳布和碳纤维布成为一体，一起附着在钢背上，最终制备出带钢背的碳纤维胚体；
(2)制备含硅先驱体溶液：将平均分子量为1200的聚甲基硅烷、过氧化二苯甲酰和硅烷偶联剂KH560的按质量比为70：30：3混合均匀，形成含硅先驱体溶液；
(3)将所述碳纤维柸体浸渍于所述含硅先驱体溶液中，浸渍的过程中，控制浸渍的温度为40℃、压力为0.3Mpa、时间为5min，保证所述碳纤维柸体与所述聚甲基硅烷的质量比为5:2；
(4)所述浸渍结束后，取出所述碳纤维柸体，在氮气气氛保护下，将其于110℃、2Mpa下固化1h，将固化后的碳纤维柸体于1100℃、3-5Mpa下裂解15h，制得厚度为20mm的具有致密结构的碳陶刹车片。
对上述制得的碳陶刹车片进行性能方面的测试，测试结果如下：碳陶刹车片的摩擦系数为0.4、密度为2.13g/cm3、洛氏硬度(HRC)为86、抗压强度为418MPa、在20℃下的抗弯强度为436MPa、在400℃下的抗弯强度为433MPa。通过测试碳陶刹车片不同部位的摩擦系数、密度、洛氏硬度、抗压强度和抗弯强度，结果表明碳陶刹车片不同部位的相应性能均一致，进而表明碳陶刹车片成分分布均匀、性能一致性好。
实施例3
本实施例提供了一种碳陶刹车片及其制备方法。所述碳陶刹车片包括碳化硅、硅和碳纤维，所述碳化硅、所述硅和所述碳纤维的质量比为40：18:25；
所述碳陶刹车片的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备碳纤维柸体：先用材质为12K碳纤维的无纬单向碳布与材质为24K双向碳纤维的碳纤维布按无纬单向碳布方向0°/45°/90°/135°依次叠加在钢背上，然后利用棱边上带倒钩刺的针对无纬单向碳布和碳纤维布进行针刺，当针刺入时，倒钩刺将碳纤维布的纤维带向垂直方向，使无纬单向碳布和碳纤维布成为一体，一起附着在钢背上，最终制备出带钢背的碳纤维胚体；
(2)制备含硅先驱体溶液：将平均分子量为800的聚甲基硅烷、过氧化二苯甲酰和硅烷偶联剂KH570的按质量比为50：45：1混合均匀，形成含硅先驱体溶液；
(3)将所述碳纤维柸体浸渍于所述含硅先驱体溶液中，浸渍的过程中，控制浸渍的温度为20℃、压力为0.6Mpa、时间为15min，保证所述碳纤维柸体与所述聚甲基硅烷的质量比为2:1；
(4)所述浸渍结束后，取出所述碳纤维柸体，在氮气气氛保护下，将其于130℃、1Mpa下固化0.5h，将固化后的碳纤维柸体于1000℃、5Mpa下裂解15h，制得厚度为5mm的具有致密结构的碳陶刹车片。
对上述制得的碳陶刹车片进行性能方面的测试，测试结果如下：碳陶刹车片的摩擦系数为0.35、密度为2.05g/cm3、洛氏硬度(HRC)为85、抗压强度为413MPa、在20℃下的抗弯强度为425MPa、在400℃下的抗弯强度为424MPa。通过测试碳陶刹车片不同部位的摩擦系数、密度、洛氏硬度、抗压强度和抗弯强度，结果表明碳陶刹车片不同部位的相应性能均一致，进而表明碳陶刹车片成分分布均匀、性能一致性好。
实施例4
本实施例提供了一种碳陶刹车片及其制备方法。所述碳陶刹车片包括碳化硅、硅和碳纤维，所述碳化硅、所述硅和所述碳纤维的质量比为45：16:35；
所述碳陶刹车片的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备碳纤维柸体：先用材质为12K碳纤维的无纬单向碳布与材质为24K双向碳纤维的碳纤维布按无纬单向碳布方向0°/45°/90°/135°依次叠加在钢背上，然后利用棱边上带倒钩刺的针对无纬单向碳布和碳纤维布进行针刺，当针刺入时，倒钩刺将碳纤维布的纤维带向垂直方向，使无纬单向碳布和碳纤维布成为一体，一起附着在钢背上，最终制备出带钢背的碳纤维胚体；
(2)制备含硅先驱体溶液：将平均分子量为1100的聚甲基硅烷、过氧化二苯甲酰和硅烷偶联剂KH540的按质量比为57：38：1.6混合均匀，形成含硅先驱体溶液；
(3)将所述碳纤维柸体浸渍于所述含硅先驱体溶液中，浸渍的过程中，控制浸渍的温度为35℃、压力为0.4Mpa、时间为12min，保证所述碳纤维柸体与所述聚甲基硅烷的质量比为7:4；
(4)所述浸渍结束后，取出所述碳纤维柸体，在氮气气氛保护下，将其于100℃、2Mpa下固化1h，将固化后的碳纤维柸体于1300℃、3Mpa下裂解10h，制得厚度为10mm的具有致密结构的碳陶刹车片。
对上述制得的碳陶刹车片进行性能方面的测试，测试结果如下：碳陶刹车片的摩擦系数为0.38、密度为2.11g/cm3、洛氏硬度(HRC)为85、抗压强度为415MPa、在20℃下的抗弯强度为430MPa、在400℃下的抗弯强度为425MPa。通过测试碳陶刹车片不同部位的摩擦系数、密度、洛氏硬度、抗压强度和抗弯强度，结果表明碳陶刹车片不同部位的相应性能均一致，进而表明碳陶刹车片成分分布均匀、性能一致性好。
实施例5
本实施例提供了一种碳陶刹车盘及其制备方法。所述碳陶刹车盘包括碳化硅、硅和碳纤维，所述碳化硅、所述硅和所述碳纤维的质量比为54：12:32；
所述碳陶刹车盘的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备碳纤维柸体：先用材质为12K碳纤维的无纬单向碳布与材质为24K双向碳纤维的碳纤维布按无纬单向碳布方向0°/45°/90°/135°依次叠加，然后利用棱边上带倒钩刺的针对无纬单向碳布和碳纤维布进行针刺，当针刺入时，倒钩刺将碳纤维布的纤维带向垂直方向，使无纬单向碳布和碳纤维布成为一体，最终制备出碳纤维胚体；
(2)制备含硅先驱体溶液：将平均分子量为900的聚甲基硅烷、过氧化二苯甲酰和硅烷偶联剂A172的按质量比为65：37：2.5混合均匀，形成含硅先驱体溶液；
(3)将所述碳纤维柸体浸渍于所述含硅先驱体溶液中，浸渍的过程中，控制浸渍的温度为35℃、压力为0.6Mpa、时间为10min，保证所述碳纤维柸体与所述聚甲基硅烷的质量比为5:3；
(4)所述浸渍结束后，取出所述碳纤维柸体，在氮气气氛保护下，将其于115℃、1.5Mpa下固化0.8h，将固化后的碳纤维柸体于1150℃、4Mpa下裂解12h，制得厚度为15mm的具有致密结构的碳陶刹车盘。
对上述制得的碳陶刹车盘进行性能方面的测试，测试结果如下：碳陶刹车盘的摩擦系数为0.39、密度为2.10g/cm3、洛氏硬度(HRC)为87、抗压强度为412MPa、在20℃下的抗弯强度为434MPa、在400℃下的抗弯强度为430MPa。通过测试碳陶刹车盘不同部位的摩擦系数、密度、洛氏硬度、抗压强度和抗弯强度，结果表明碳陶刹车片不同部位的相应性能均一致，进而表明碳陶刹车片成分分布均匀、性能一致性好。
对比例1
本对比例提供了一种碳陶刹车片的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备碳纤维柸体：先用材质为12K碳纤维的无纬单向碳布与材质为24K双向碳纤维的碳纤维布按无纬单向碳布方向0°/45°/90°/135°依次叠加在钢背上，然后利用棱边上带倒钩刺的针对无纬单向碳布和碳纤维布进行针刺，当针刺入时，倒钩刺将碳纤维布的纤维带向垂直方向，使无纬单向碳布和碳纤维布成为一体，一起附着在钢背上，最终制备出带钢背的碳纤维胚体；
(2)制备含硅先驱体溶液：将平均分子量为1000的聚碳硅烷、过氧化二苯甲酰和硅烷偶联剂KH550的按质量比为30：20：1混合均匀，形成含硅先驱体溶液；
(3)将所述碳纤维柸体浸渍于所述含硅先驱体溶液中，浸渍的过程中，控制浸渍的温度为30℃、压力为0.45Mpa、时间为10min，保证所述碳纤维柸体与所述聚甲基硅烷的质量比为3:1；
(4)所述浸渍结束后，取出所述碳纤维柸体，在氮气气氛保护下，将其于115℃、1.5Mpa下固化0.7h，将固化后的碳纤维柸体于1150℃、4Mpa下裂解12h，制得厚度为15mm的具有致密结构的碳陶刹车片。
对上述制得的碳陶刹车片进行性能方面的测试，测试结果如下：碳陶刹车片的摩擦系数为0.20、抗压强度为380MPa、在20℃下的抗弯强度为390MPa、在400℃下的抗弯强度为385MPa。通过测试碳陶刹车片不同部位的摩擦系数、抗压强度和抗弯强度，结果表明碳陶刹车片不同部位的相应性能存在有不一致的地方，进而表明碳陶刹车片成分分布不均匀、性能一致性差。
对比例2
本对比例提供了一种碳陶刹车片及其制备方法。所述碳陶刹车片包括碳化硅、硅和碳纤维，所述碳化硅、所述硅和所述碳纤维的质量比为60：10:35；
所述碳陶刹车片的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备碳纤维柸体：先用材质为12K碳纤维的无纬单向碳布与材质为24K双向碳纤维的碳纤维布按无纬单向碳布方向0°/45°/90°/135°依次叠加在钢背上，然后利用棱边上带倒钩刺的针对无纬单向碳布和碳纤维布进行针刺，当针刺入时，倒钩刺将碳纤维布的纤维带向垂直方向，使无纬单向碳布和碳纤维布成为一体，一起附着在钢背上，最终制备出带钢背的碳纤维胚体；
(2)制备含硅先驱体溶液：将平均分子量为1200的聚甲基硅烷聚硅烷和过氧化二苯甲酰的按质量比为70：30混合均匀，形成含硅先驱体溶液；
(3)将所述碳纤维柸体浸渍于所述含硅先驱体溶液中，浸渍的过程中，控制浸渍的温度为40℃、压力为0.3Mpa、时间为5min，保证所述碳纤维柸体与所述聚甲基硅烷的质量比为5:2；
(4)所述浸渍结束后，取出所述碳纤维柸体，在氮气气氛保护下，将其于110℃、2Mpa下固化1h，将固化后的碳纤维柸体于1100℃、3-5Mpa下裂解15h，制得厚度为20mm的具有致密结构的碳陶刹车片。
对上述制得的碳陶刹车片进行性能方面的测试，测试结果如下：碳陶刹车片的摩擦系数为0.31、抗压强度为400MPa、在20℃下的抗弯强度为410MPa、在400℃下的抗弯强度为405MPa。通过测试碳陶刹车片不同部位的摩擦系数、抗压强度和抗弯强度，结果表明碳陶刹车片不同部位的相应性能存在有不一致的地方，进而表明碳陶刹车片成分分布不均匀、性能一致性差。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。