本发明涉及一种利用静电自组装技术提高碳陶刹车盘防氧化性的方法，属于刹车盘技术领域。
背景技术：
目前正在使用的刹车材料主要有三类，金属基刹车盘、碳碳材料刹车盘和碳陶刹车盘。碳陶刹车盘是采用碳纤维增强碳化硅基复合材料制作而成的一种刹车盘。碳陶刹车盘结合了碳纤维和多晶碳化硅这两者的物理特性。c/sic材料的拉断伸长率从0.1%到0.3%不等，这对于陶瓷材料而言是极高的数值。同时由于较轻的重量、良好的硬度、高压和高温条件下的稳定性、抗热冲击性和同韧性剪切断裂特性等特点不但延长了刹车盘的使用寿命，并且避免了因负载而产生的所有问题。
碳陶刹车系统的一个显著特征是它是采用陶瓷复合材料制造而成。碳陶刹车片本身及两侧的摩擦层均由碳纤维增强碳化硅材料制成。主要基体成分有碳化硅(sic)和工业硅(si)。碳纤维(c)增强了材料的强度。主要基体成分碳化硅决定着复合材料的硬度。碳纤维的作用是提高材料的机械强度并为材料提供技术应用中所需的断裂韧度。陶瓷复合材料的同韧性剪切断裂特性为其抗高热负载和机械负载|生能提供了保障。因此，碳纤维增强碳化硅材料完美结合了碳纤维增强碳(c/c)和多晶碳化硅陶瓷这两者的物理特性。这对于陶瓷材料而言是极高的数值。正因为具有这些特征，碳纤维增强碳化硅才成为高性能刹车制动系统的首选材料：尤其是较轻的重量、良好的硬度、高压和高温条件下的稳定性、抗热冲击性和同韧性剪切断裂特性等特点延长了碳陶刹车片的使用寿命，并避免了传统灰铸铁刹车片因负载而产生的所有问题。
碳陶刹车盘拥有良好的高温力学性能和热性能，在惰性环境中超过2000℃仍能保持强度、模量等力学性能不降低，拥有良好的断裂韧性和耐磨性能、低线膨胀系数、高热导率、高气化温度和良好的抗热震性能，但是在氧化性气氛中，高于400℃碳纤维就会氧化，材料性能降低，导致材料失效。这是影响碳纤维增强陶瓷基复合材料在氧化性气氛中长效应用的致命弱点，为此必须解决材料的抗氧化性问题。
碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性研究主要集中在两个方面：(l)通过对基体材料的处理来增强材料的抗氧化性能，如通过在基体孔隙中渗入融熔si和cr反应生成cr3si来增强抗氧化性制，或者通过在碳纤维表层形成b化合物膜层来增强材料抗氧化性，或者通过整体抗氧化涂层增强材料的抗氧化性能。在两种处理方式中，整体抗氧化涂层更为有效。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于：陶碳刹车盘的耐氧化性不好，采用的关键技术是利用分子自组装技术提高碳纤维表面硅烷的包覆性，使在氧化条件下碳纤维的耐氧化性能得到提高。
为解决上述问题，采用了如下技术手段：
一种利用静电自组装技术提高碳陶刹车盘防氧化性的方法，包括如下步骤：
第1步，碳纤维的增密处理：碳纤维装载在真空碳管炉中，进行沉积增密；
第2步，碳纤维的石墨化处理：将第1步得到的碳纤维在高温下进行石墨化处理；
第3步，碳纤维的活化处理：将第2步得到的碳纤维用硝酸和硫酸的混合溶液中浸泡，浸泡后滤出后用水洗涤至中性后烘干；
第4步，碳纤维的羧基改性：按重量份计，将第3步得到的碳纤维22～30份与羧基改性混合液18～25份混合，升温反应，所述的羧基改性混合液是由90～95wt%的浓硫酸和30～35wt%的过氧化氢溶液混合而成，反应结束后，将碳纤维过滤出，再用去离子水洗涤、干燥，得到羧基改性碳纤维；
第5步，碳纤维的羟基改性：按重量份计，将羧基改性的碳纤维12～20份与35～40份socl2反应，反应结束后，将固体物滤出，再分散在乙二醇45～50份中，于105～110℃反应10～20h，反应结束后，将固体物滤出，用水洗涤后干燥，得到表面羟基修饰的碳纤维；
第6步，硅烷偶联剂接枝的离子液体的制备：在醇类溶剂中，加入1～5wt%的硅烷偶联剂和5～10%的咪唑类离子液体，在80～100℃下反应10～20h后，得到硅烷偶联剂接枝的离子液体的溶液；
第7步，将表面羟基修饰的碳纤维浸泡在硅烷偶联剂接枝的离子液体的溶液中进行处理，得到表面阳离子化的碳纤维；
第8步，硅溶胶的负电荷化：在硅溶胶中加入naoh调节ph至9～11；
第9步，碳纤维的表面的静电自组装：将第7步得到的表面阳离子化的碳纤维浸泡于第8步得到的硅溶胶中，将碳纤维滤出，用水洗涤后烘干，得到静电自组装后的碳纤维；
第10步，碳纤维的成型：将第9步得到的碳纤维浸泡于由聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂混合而成的混合溶液；碳纤维与混合溶液的重量比是4：1～1.5；浸泡后置于在保护气氛下进行高温裂解，得到刹车盘胚体；
第11步，cvi沉积：采用天然气和丙烷作为气源，将刹车盘胚体置于cvi炉中进行沉积处理，得到表面结壳处理后的刹车盘。
所述的第1步中，沉积增密温度1200～1300℃，天然气压力控制为3～5kpa，沉积时间为30～45h。
所述的第2步中，石墨化处理的温度2200～2250℃，处理3～5h。
所述的第3步中，硝酸的浓度范围是50～60wt%，硫酸的浓度是80～85wt%，混合溶液的温度是60～75℃，浸泡时间是1～3h。
所述的第4步中，升温反应是指在65～70℃进行反应2～4h。
所述的第5步中，反应是指60～65℃条件下进行回流反应15～20h。
所述的第6步中，咪唑类离子液体选自氯化-1-烯丙基-3-甲基咪唑或氯化1-丁基-3-甲基咪唑中的一种或几种的混合；所述的醇类溶剂选自甲醇、乙醇、丙二醇、丁醇或异戊醇中的一种或几种的混合；所述的硅烷偶联剂为双-(γ-三乙氧基硅基丙基)四硫化物(si69)、双(三乙氧基硅基丙基)二硫化物(si75)、γ-巯丙基三乙氧基硅烷(kh-580)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(kh-550)、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(kh-560)中的一种或几种。
所述的第7步中，处理步骤是指在70～85℃条件下处理5～10h。
所述的第8步中，硅溶胶的固含量范围是30～35%。
所述的第9步中，浸泡温度是40～50℃，浸泡时间是5～10h；聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂的重量比范围是1：2.4～3.0：1.0～1.5：0.3～0.5。
所述的第10步中，高温裂解的温度是1100～1200℃，裂解时间是2～4h。
所述的第10步中，沉积过程中cvi炉温为1190～1230℃、压力6～8kpa、沉积时间60～80h。
有益效果
本发明提供的方法中，第1步-第3步的作用是对碳纤维进行前处理，使纤维表面增密，可以提高煅烧后的强度，同时通过对其进行活化后可以提高后续的改性反应的程度；在第4步和第5步，分别通过改性处理使碳纤维的表面带上羟基，羟基的存在可以更好地与后续的硅烷偶联剂改性的离子液体进行接枝；第6步中，在离子液体的表面接枝硅烷偶联剂，可以将离子液体再接枝到碳纤维上，使碳纤维的表面阳离子化；在第8步中，由于碱性条件下硅溶胶粒子表面的硅醇选择吸附了介质中的oh-而使表面带负电；第9步中，通过静电自组装的方式可以使碳纤维的表面实现了硅溶胶的包覆；第10步中，是通过浸泡的方式将含硅化合物与碳纤维混合，可以用于后续的煅烧成型；第11步中，是对得到的刹车盘胚体进行表面后处理。
本发明利用静电自组装的方式在碳纤维的表面包覆上纳米溶胶，具有包覆效果均匀，将制备得到的刹车盘应用于氧化条件下的试验时，具有耐氧化性能好的优点。
具体实施方式
实施例1
第1步，碳纤维的增密处理：碳纤维装载在真空碳管炉中，进行沉积增密，沉积增密温度1200℃，天然气压力控制为3kpa，沉积时间为30h；
第2步，碳纤维的石墨化处理：将第1步得到的碳纤维在高温下进行石墨化处理，石墨化处理的温度2200℃，处理3h；
第3步，碳纤维的活化处理：将第2步得到的碳纤维用50wt%硝酸和80wt%硫酸的混合溶液中浸泡，混合溶液的温度是60℃，浸泡时间是1h，浸泡后滤出后用水洗涤至中性后烘干；
第4步，碳纤维的羧基改性：按重量份计，将第3步得到的碳纤维22份与羧基改性混合液18份混合，65℃进行反应2h，所述的羧基改性混合液是由90wt%的浓硫酸和30wt%的过氧化氢溶液混合而成，反应结束后，将碳纤维过滤出，再用去离子水洗涤、干燥，得到羧基改性碳纤维；
第5步，碳纤维的羟基改性：按重量份计，将羧基改性的碳纤维12份与35份socl2在60℃条件下进行回流反应15h，反应结束后，将固体物滤出，再分散在乙二醇45份中，于105℃反应10h，反应结束后，将固体物滤出，用水洗涤后干燥，得到表面羟基修饰的碳纤维；
第6步，硅烷偶联剂接枝的离子液体的制备：在乙醇中，加入乙醇重量的1wt%的kh-550硅烷偶联剂和乙醇重量的5%的氯化-1-烯丙基-3-甲基咪唑，在80℃下反应10h后，得到硅烷偶联剂接枝的离子液体的溶液；
第7步，将表面羟基修饰的碳纤维浸泡在硅烷偶联剂接枝的离子液体的溶液中70℃条件下处理5h，得到表面阳离子化的碳纤维；
第8步，硅溶胶的负电荷化：在硅溶胶中加入naoh调节ph至9，硅溶胶的固含量范围是30%；
第9步，碳纤维的表面的静电自组装：将第7步得到的表面阳离子化的碳纤维浸泡于第8步得到的硅溶胶中，浸泡温度是40℃，浸泡时间是5h，将碳纤维滤出，用水洗涤后烘干，得到静电自组装后的碳纤维；聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂的重量比范围是1：2.4：1.0：0.3；
第10步，碳纤维的成型：将第9步得到的碳纤维浸泡于由聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂混合而成的混合溶液；碳纤维与混合溶液的重量比是4：1；浸泡后置于在保护气氛下进行高温裂解，高温裂解的温度是1100℃，裂解时间是2h，得到刹车盘胚体；
第11步，cvi沉积：采用天然气和丙烷作为气源，将刹车盘胚体置于cvi炉中进行沉积处理，沉积过程中cvi炉温为1190℃、压力6kpa、沉积时间60h，得到表面结壳处理后的刹车盘。
实施例2
第1步，碳纤维的增密处理：碳纤维装载在真空碳管炉中，进行沉积增密，沉积增密温度1300℃，天然气压力控制为5kpa，沉积时间为45h；
第2步，碳纤维的石墨化处理：将第1步得到的碳纤维在高温下进行石墨化处理，石墨化处理的温度2250℃，处理5h；
第3步，碳纤维的活化处理：将第2步得到的碳纤维用60wt%硝酸和85wt%硫酸的混合溶液中浸泡，混合溶液的温度是75℃，浸泡时间是3h，浸泡后滤出后用水洗涤至中性后烘干；
第4步，碳纤维的羧基改性：按重量份计，将第3步得到的碳纤维30份与羧基改性混合液25份混合，70℃进行反应4h，所述的羧基改性混合液是由95wt%的浓硫酸和35wt%的过氧化氢溶液混合而成，反应结束后，将碳纤维过滤出，再用去离子水洗涤、干燥，得到羧基改性碳纤维；
第5步，碳纤维的羟基改性：按重量份计，将羧基改性的碳纤维20份与40份socl2在65℃条件下进行回流反应20h，反应结束后，将固体物滤出，再分散在乙二醇50份中，于110℃反应20h，反应结束后，将固体物滤出，用水洗涤后干燥，得到表面羟基修饰的碳纤维；
第6步，硅烷偶联剂接枝的离子液体的制备：在乙醇中，加入乙醇重量的5wt%的kh-550硅烷偶联剂和乙醇重量的10%的氯化-1-烯丙基-3-甲基咪唑，在100℃下反应20h后，得到硅烷偶联剂接枝的离子液体的溶液；
第7步，将表面羟基修饰的碳纤维浸泡在硅烷偶联剂接枝的离子液体的溶液中85℃条件下处理10h，得到表面阳离子化的碳纤维；
第8步，硅溶胶的负电荷化：在硅溶胶中加入naoh调节ph至11，硅溶胶的固含量范围是35%；
第9步，碳纤维的表面的静电自组装：将第7步得到的表面阳离子化的碳纤维浸泡于第8步得到的硅溶胶中，浸泡温度是50℃，浸泡时间是10h，将碳纤维滤出，用水洗涤后烘干，得到静电自组装后的碳纤维；聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂的重量比范围是1：3.0：1.5：0.5；
第10步，碳纤维的成型：将第9步得到的碳纤维浸泡于由聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂混合而成的混合溶液；碳纤维与混合溶液的重量比是4：1.5；浸泡后置于在保护气氛下进行高温裂解，高温裂解的温度是1200℃，裂解时间是4h，得到刹车盘胚体；
第11步，cvi沉积：采用天然气和丙烷作为气源，将刹车盘胚体置于cvi炉中进行沉积处理，沉积过程中cvi炉温为1230℃、压力8kpa、沉积时间80h，得到表面结壳处理后的刹车盘。
实施例3
第1步，碳纤维的增密处理：碳纤维装载在真空碳管炉中，进行沉积增密，沉积增密温度1240℃，天然气压力控制为4kpa，沉积时间为30～45h；
第2步，碳纤维的石墨化处理：将第1步得到的碳纤维在高温下进行石墨化处理，石墨化处理的温度2240℃，处理4h；
第3步，碳纤维的活化处理：将第2步得到的碳纤维用55wt%硝酸和82wt%硫酸的混合溶液中浸泡，混合溶液的温度是65℃，浸泡时间是2h，浸泡后滤出后用水洗涤至中性后烘干；
第4步，碳纤维的羧基改性：按重量份计，将第3步得到的碳纤维25份与羧基改性混合液22份混合，68℃进行反应3h，所述的羧基改性混合液是由92wt%的浓硫酸和32wt%的过氧化氢溶液混合而成，反应结束后，将碳纤维过滤出，再用去离子水洗涤、干燥，得到羧基改性碳纤维；
第5步，碳纤维的羟基改性：按重量份计，将羧基改性的碳纤维15份与38份socl2在62℃条件下进行回流反应18h，反应结束后，将固体物滤出，再分散在乙二醇48份中，于105℃反应15h，反应结束后，将固体物滤出，用水洗涤后干燥，得到表面羟基修饰的碳纤维；
第6步，硅烷偶联剂接枝的离子液体的制备：在乙醇中，加入乙醇重量的2wt%的kh-550硅烷偶联剂和乙醇重量的8%的氯化-1-烯丙基-3-甲基咪唑，在90℃下反应15h后，得到硅烷偶联剂接枝的离子液体的溶液；
第7步，将表面羟基修饰的碳纤维浸泡在硅烷偶联剂接枝的离子液体的溶液中75℃条件下处理7h，得到表面阳离子化的碳纤维；
第8步，硅溶胶的负电荷化：在硅溶胶中加入naoh调节ph至10，硅溶胶的固含量范围是32%；
第9步，碳纤维的表面的静电自组装：将第7步得到的表面阳离子化的碳纤维浸泡于第8步得到的硅溶胶中，浸泡温度是45℃，浸泡时间是8h，将碳纤维滤出，用水洗涤后烘干，得到静电自组装后的碳纤维；聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂的重量比范围是1：2.5：1.2：0.4；
第10步，碳纤维的成型：将第9步得到的碳纤维浸泡于由聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂混合而成的混合溶液；碳纤维与混合溶液的重量比是4：1.2；浸泡后置于在保护气氛下进行高温裂解，高温裂解的温度是1150℃，裂解时间是3h，得到刹车盘胚体；
第11步，cvi沉积：采用天然气和丙烷作为气源，将刹车盘胚体置于cvi炉中进行沉积处理，沉积过程中cvi炉温为1210℃、压力7kpa、沉积时间70h，得到表面结壳处理后的刹车盘。
对照例1
与实施例3的区别是：未采用离子液体对碳纤维的表面修饰。
第1步，碳纤维的增密处理：碳纤维装载在真空碳管炉中，进行沉积增密，沉积增密温度1240℃，天然气压力控制为4kpa，沉积时间为30～45h；
第2步，碳纤维的石墨化处理：将第1步得到的碳纤维在高温下进行石墨化处理，石墨化处理的温度2240℃，处理4h；
第3步，碳纤维的活化处理：将第2步得到的碳纤维用55wt%硝酸和82wt%硫酸的混合溶液中浸泡，混合溶液的温度是65℃，浸泡时间是2h，浸泡后滤出后用水洗涤至中性后烘干；
第4步，碳纤维的羧基改性：按重量份计，将第3步得到的碳纤维25份与羧基改性混合液22份混合，68℃进行反应3h，所述的羧基改性混合液是由92wt%的浓硫酸和32wt%的过氧化氢溶液混合而成，反应结束后，将碳纤维过滤出，再用去离子水洗涤、干燥，得到羧基改性碳纤维；
第5步，碳纤维的羟基改性：按重量份计，将羧基改性的碳纤维15份与38份socl2在62℃条件下进行回流反应18h，反应结束后，将固体物滤出，再分散在乙二醇48份中，于105℃反应15h，反应结束后，将固体物滤出，用水洗涤后干燥，得到表面羟基修饰的碳纤维；
第6步，硅溶胶的负电荷化：在硅溶胶中加入naoh调节ph至10，硅溶胶的固含量范围是32%；
第7步，碳纤维的表面处理：将第6步得到的碳纤维浸泡于第8步得到的硅溶胶中，浸泡温度是45℃，浸泡时间是8h，将碳纤维滤出，用水洗涤后烘干，得到碳纤维；聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂的重量比范围是1：2.5：1.2：0.4；
第8步，碳纤维的成型：将第7步得到的碳纤维浸泡于由聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂混合而成的混合溶液；碳纤维与混合溶液的重量比是4：1.2；浸泡后置于在保护气氛下进行高温裂解，高温裂解的温度是1150℃，裂解时间是3h，得到刹车盘胚体；
第9步，cvi沉积：采用天然气和丙烷作为气源，将刹车盘胚体置于cvi炉中进行沉积处理，沉积过程中cvi炉温为1210℃、压力7kpa、沉积时间70h，得到表面结壳处理后的刹车盘。
对照例2
与实施例3的区别是：未对硅溶胶进行负电荷化处理。
第1步，碳纤维的增密处理：碳纤维装载在真空碳管炉中，进行沉积增密，沉积增密温度1240℃，天然气压力控制为4kpa，沉积时间为30～45h；
第2步，碳纤维的石墨化处理：将第1步得到的碳纤维在高温下进行石墨化处理，石墨化处理的温度2240℃，处理4h；
第3步，碳纤维的活化处理：将第2步得到的碳纤维用55wt%硝酸和82wt%硫酸的混合溶液中浸泡，混合溶液的温度是65℃，浸泡时间是2h，浸泡后滤出后用水洗涤至中性后烘干；
第4步，碳纤维的羧基改性：按重量份计，将第3步得到的碳纤维25份与羧基改性混合液22份混合，68℃进行反应3h，所述的羧基改性混合液是由92wt%的浓硫酸和32wt%的过氧化氢溶液混合而成，反应结束后，将碳纤维过滤出，再用去离子水洗涤、干燥，得到羧基改性碳纤维；
第5步，碳纤维的羟基改性：按重量份计，将羧基改性的碳纤维15份与38份socl2在62℃条件下进行回流反应18h，反应结束后，将固体物滤出，再分散在乙二醇48份中，于105℃反应15h，反应结束后，将固体物滤出，用水洗涤后干燥，得到表面羟基修饰的碳纤维；
第6步，硅烷偶联剂接枝的离子液体的制备：在乙醇中，加入乙醇重量的2wt%的kh-550硅烷偶联剂和乙醇重量的8%的氯化-1-烯丙基-3-甲基咪唑，在90℃下反应15h后，得到硅烷偶联剂接枝的离子液体的溶液；
第7步，将表面羟基修饰的碳纤维浸泡在硅烷偶联剂接枝的离子液体的溶液中75℃条件下处理7h，得到表面阳离子化的碳纤维；
第8步，碳纤维的表面的静电自组装：将第7步得到的表面阳离子化的碳纤维浸泡于第8步得到的硅溶胶中，浸泡温度是45℃，浸泡时间是8h，将碳纤维滤出，用水洗涤后烘干，得到静电自组装后的碳纤维；聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂的重量比范围是1：2.5：1.2：0.4；
第9步，碳纤维的成型：将第8步得到的碳纤维浸泡于由聚甲基硅烷、硅微粉、酯类溶剂、增稠剂混合而成的混合溶液；碳纤维与混合溶液的重量比是4：1.2；浸泡后置于在保护气氛下进行高温裂解，高温裂解的温度是1150℃，裂解时间是3h，得到刹车盘胚体；
第10步，cvi沉积：采用天然气和丙烷作为气源，将刹车盘胚体置于cvi炉中进行沉积处理，沉积过程中cvi炉温为1210℃、压力7kpa、沉积时间70h，得到表面结壳处理后的刹车盘。
从上表中可以看出，本发明制备得到的刹车盘具有较好的耐磨性能，特别是在氧化试验后的失重较小，可以看出本发明提供的刹车盘也具有较好的耐氧化性。对照例1中由于未采用离子液体对碳纤维的表面修饰，可以导致表面的硅包覆处理较好不好，使刹车盘耐氧化性不高；实施例3相对于对照例2可以看出，由于未对硅溶胶进行负电荷化处理，会导致硅溶胶在离子液体的表面静电组装性不好，也会影响到刹车盘的耐氧化性能。