一种用于高速列车刹车盘的陶瓷基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于陶瓷基复合材料领域，尤其涉及一种用于高速列车刹车盘的陶瓷基复合材料及其制备方法。
技术背景
[0002]刹车盘是机动车辆制动系统的A类关键零部件，其性能的好坏直接关系到机动车运行的安全性和可靠性。碳/碳(C/C)复合材料刹车盘具有耐腐蚀、耐磨损、抗氧化、摩擦系数高等一系列优良性能，但是由于C/C复合材料在实际应用中所承受的严重热震，使得C/C复合材料易开裂，且极易损伤C纤维，严重影响其力学性能。为了防止C纤维不受损伤，保证复合材料的强度不下降，现有技术中通常在C纤维编织体上制备C/C骨架，这对C纤维起到保护作用。同时在C/C骨架上化学气相沉积SiC，以缓解因为热震而带来的热应力。然而，用于高速列车刹车盘的C/SiC (碳纤维增强碳化砖)陶瓷基复合材料的综合性能依然有待进一步提尚。
[0003]研宄发现，通过掺杂难熔金属碳化物及硼化物，同时创新制备工艺，可在不破坏C纤维的情况下制备出耐超高温、耐氧化、抗热震的高性能陶瓷基复合材料，以满足高速列车刹车盘的综合性能要求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的旨在克服现有技术的缺陷，提供了一种用于高速列车刹车盘的陶瓷基复合材料及其制备方法。
[0005]为实现本发明的目的所采用的技术方案是:一种用于高速列车刹车盘的陶瓷基复合材料，由C纤维、C基体、HfC基体和ZrB2基体组成，其特征在于:所述C纤维所占的体积分数为32?62%，C基体所占的体积分数为12?22%，HfC基体所占的体积分数为4?12%，ZrB2S体所占的体积分数为10?34%。
[0006]进一步的，所述C纤维所占的体积分数为47?62% ;所述C基体所占的体积分数为12?16% ;所述HfC基体所占的体积分数为4?9% ;所述ZrB2S体所占的体积分数为22 ?28%。
[0007]进一步的，所述C纤维所占的体积分数为47 % ;所述C基体所占的体积分数为16 % ;所述HfC基体所占的体积分数为9 % ;所述ZrB2基体所占的体积分数为28 %。
[0008]本发明还提供了一用于高速列车刹车盘的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤:
[0009](I)以针刺毡作为纤维预制体，C纤维所占的体积分数为32?62% ;
[0010](2)采用CVI工艺，以烷烃为先驱体，氮气为稀释气体，制备出C/C复合材料坯体，温度 1500 ?2500 °C ；
[0011 ] (3)将表面活性剂改性的HfO2微粉分散于酚醛树脂中，形成悬浊液，将C/C复合材料坯体浸渍于所述悬浊液中，在氢气气氛下，加热至1900?2300°C，反应生成HfC，从而形成C/C-HfC基体；
[0012](5)将无水乙醇、硼酸三正丁脂、乙酸按1: 3: 3的比例混合得到稳定的前驱体溶胶，将粉按质量分数10%加入到前驱体中，充分搅拌使其形成稳定的悬浮液，再将其倒入水热釜中；将所述C/C-HfC基体放入水热釜中，使其完全浸渍，放入恒温烘箱中，100-180°C下保温20-30小时。待保温结束，自然冷却至室温，用乙醇清洗表面，然后置于马弗炉中350-500°C保温下2-3小时，将ZrB2引入C/C-HfC基体表面，形成C/C_HfC_ZrB 2复合材料预置体；
[0013](6)在1500?1800°C下对所述C/C_HfC_ZrB2复合材料预置体进行高温致密化处理，得到C/C-HfC-ZrB2陶瓷基复合材料。
[0014]进一步的，步骤(I)中所述针刺毡采用T700-12K无玮布及T700-12K网胎制成。
[0015]进一步的，步骤(2)中所述烷烃为聚碳硅烷。
[0016]进一步的，步骤(3)中所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。
[0017]目前，将高温合金元素引入到C/C复合材料中的方法主要有溶液浸渍法、直接浸渗微粉法、陶瓷浆料涂刷粉末法等。采用溶液浸渍转化效率很低，并且存在腐蚀设备等缺点；直接浸渗微粉法和浆料涂刷法是较为经济的方法，但是由于合金元素化合物微粉的密度较大，料浆的悬浮性及浸渗均匀性难以保证。
[0018]本发明综合利用CVI法、热解法及溶剂热法制备C/C-HfC-ZrB2复合材料，具有以下优点:
[0019](I)在C/C骨架上化学气相沉积梯度HfC、ZrB2,能够有效缓解因为热震而带来的热应力，抗热震性能得到显著的增强，同时与C/SiC复合材料相比，抗氧化性能、耐磨耐热及散热性能均显著提高；
[0020](2)利用表面活性剂的解团聚效应，有效分散HfO2微粉，解决了固相粉末分散不均匀问题，使得C/C复合材料中纤维的机械和热损伤程度较小；同时酚醛树脂在热解反应中形成疏松多孔的热解碳，易于HfC的均匀附着；
[0021](3)由于在C/C骨架上制备了一层HfC基体，能够为C纤维提供保护，防止后续反应中金属Zr对基体的破坏；
[0022](4)有效提高C/C复合材料在低温段的抗氧化性能。改性后的C/C复合材料表面被B2O3和ZrB 2覆盖，基体内部的缺陷也不同程度地被B 203和ZrB 2填充。随着反应温度的升高，进入基体内部的B2O3和ZrB 2含量增多，在高温下，ZrB2氧化生成的B2O3能对基体的缺陷进行有效愈合，进一步有效持续地防止C/C基体氧化。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
[0024]对比例1:
[0025]采用T700-12K无玮布和T700-12K网胎制备针刺毡，其体积密度约为0.50g/cm3。采用CVI工艺，以聚碳硅烷PCS为先驱体，氮气为稀释气体，反应温度为1800°C，制备C/C复合材料坯体，其体积密度约为0.75g/cm3;在1800°C下对C/C复合材料预置体进行高温致密化处理，得到C/C陶瓷基复合材料。C/C陶瓷基复合材料中C纤维体积分数为70%，C基体体积分数为30 %。
[0026]对比例2:
[0027]采用T700-12K无玮布和T700-12K网胎制备针刺毡，其体积密度约为0.40g/cm3。采用CVI工艺，以聚碳硅烷PCS为先驱体，氮气为稀释气体，反应温度为1800°C，制备C/C复合材料坯体，C/C复合材料坯体的体积密度约为0.80g/cm3。将HfOjj粉边研磨边加入聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的异丙醇溶液中，形成改性的HfO2微粉，聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的异丙醇溶液与HfOjj粉的质量比为5: I。将改性HfO 2微粉分散于酚醛树脂中，其中形成悬浊液，改性HfO2微粉与酚醛树脂质量比为1: 6。将C/C复合材料坯体浸渍于所述悬浊液中，在氢气气氛下，加热至1900°C，反应生成HfC。将无水乙醇、硼酸三正丁月旨、乙酸按1: 3: 3的比例混合得到稳定的前驱体溶胶，将粉按质量分数10%加入到前驱体中，充分搅拌使其形成稳定的悬浮液，再将其倒入水热釜中；将C/C-HfC基体放入水热釜中，使其完全浸渍，放入恒温烘箱中，150°C下保温20小时。待保温结束，自然冷却至室温，用乙醇清洗表面，然后置于马弗炉中350°C保温下3小时，将ZrB2引入C/C-HfC基体表面，形成C/C-HfC-ZrB2复合材料预置体。在1500°C下对C/C_HfC_ZrB 2复合材料预置体进行高温致密化处理，得到CVC-HfC-ZrB2陶瓷基复合材料。
[0028]对比例2所述的C/C-HfC-ZrB2陶瓷基复合材料中C纤维所占的体积分数为60%、C基体所占的体积分数为28 %、HfC基体所占的体积分数为2 %、ZrB2基体所占的体积分数为 10%。
[0029]实施例1:
[0030]采用T700-12K无玮布和T700-12K网胎制备针刺毡，其体积密度约为0.50g/cm3。采用CVI工艺，以聚碳硅烷PCS为先驱体，氮气为稀释气体，反应温度为1500°C，制备C/C复合材料坯体，C/C复合材料坯体的体积密度约为0.65g/cm3。将HfOjj粉边研磨边加入聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的异丙醇溶液中，形成改性的HfO2微粉，聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的异丙醇溶液与Hf02微粉的质量比为5: I。将改性HfO2微粉分散于酚醛树脂中，其中形成悬浊液，改性Hf02微粉与酚醛树脂质量比为1: 6。将C/C复合材料坯体浸渍于所述悬浊液中，在氢气气氛下，加热至1900°C，反应生成HfC。将无水乙醇、硼酸三正丁月旨、乙酸按1: 3: 3的比例混合得到稳定的前驱体溶胶，将粉按质量分数10%加入到前驱体中，充分搅拌使其形成稳定的悬浮液，再将其倒入水热釜中；将C/C-HfC基体放入水热釜中，使其完全浸渍，放入恒温烘箱中，100°C下保温30小时。待保温结束，自然冷却至室温，用乙醇清洗表面，然后置于马弗炉中380°C保温下2小时，将ZrB2引入C/C-HfC基体表面，形成C/C-HfC-ZrB2复合材料预置体。在1600°C下对C/C_HfC_ZrB 2复合材料预置体进行高温致密化处理，得到CVC-HfC-ZrB2陶瓷基复合材料。
[0031 ] 实施例1所述的C/C-HfC-ZrB2陶瓷基复合材料中C纤维所占的体积分数为62 %、C基体所占的体积分数为12 %、HfC基体所占的体积分数为4 %、ZrB2基体所占的体积分数为 22%。
[0032]实施例2:
[0033]采用T700-12K无玮布和T700-12K网胎制备针刺毡，其体积密度约为0.50g/cm3。采用CVI工艺，以聚碳硅烷PCS为先驱体，氮气为稀释气体，反应温度为1700°C，制备C/C复合材料坯体，C/C复合材料坯体的体积密度约为0.70g/cm3。将HfOjj粉边研磨边加入聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的异丙醇溶液中，形成改性的HfO2微粉，聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的异丙醇溶液与HfOjj粉的质量比为5: I。将改性Hf02微粉分散于酚醛树脂中，其中形成悬浊液，改性HfO2微粉与酚醛树脂质量比为1: 6。将C/C复合材料坯体浸渍于所述悬浊液中，在氢气气氛下，加热至2000°C，反应生成HfC。将无水乙醇、硼酸三正丁月旨、乙酸按1: 3: 3的比例混合得到稳定的前驱体溶胶，将粉按质量分数10%加入到前驱体中，充分搅拌使其形成稳定的悬浮液，再将其倒入水热釜中；将C/C-HfC基体放入水热釜中，使其完全浸渍，放入恒温烘箱中，120°C下保温25小时。待保温结束，自然冷却至室温，用乙醇清洗表面，然后置于马弗炉中400°C保温下2.5小时，将ZrB2引入C/C-HfC基体表面，形成C/C-HfC-ZrB2复合材料预置体。在1700°C下对C/C_