一种碳陶复合材料的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳陶复合材料的制备方法及其应用，特别涉及一种高动量运载系统制动所需碳陶复合材料的制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002]目前，用于飞机上的刹车盘主要有C/C材料和粉末冶金材料两类。粉末冶金刹车材料存在着如下缺点:高温下易粘接，重量大，热衰退明显，高温强度下降，抗热震能力差，寿命短等。而C/C复合材料刹车盘最早在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，但由于其具有易氧化，易吸潮，湿态摩擦系数低，静态摩擦系数小等缺点。同时，随着科技以及飞机的更新换代，C/C刹车复合材料越来越难以满足飞机刹车的需求。所以有必要开发出一种避免以上缺陷，综合性能优良的新型刹车盘复合材料。
[0003]C/C-SiC复合材料刹车盘是二十世纪末发展起来的一种高性能制动材料，由于具有如下优点:干湿态摩擦系数高且稳定，磨合性和导热性优良，使用负荷高，环境适应性强等。所以C/C-SiC摩擦材料被公认为二十一世纪极具竞争力的新一代刹车材料。CN102128225B公开了一种以反应熔融渗硅制备碳陶刹车盘的一种方法，该方法制备碳陶刹车盘可控性不强，成分分布不均匀，且制备的碳陶刹车盘在制动过程中，磨损量大，曲线不稳，尾翘大，震动厉害，影响飞机制动系统其他零部件。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术的不足，提供一种摩擦系数适中、磨损量少、曲线平稳、振动小的碳陶复合材料的制备方法。
[0005]本发明一种碳陶复合材料的制备方法，包括下述步骤:
[0006]步骤一
[0007]以密度为1.2-1.5g/cm3的C/C复合材料为原料;将所述原料置于浸渍液I中浸渍，浸渍后，在保护气氛下进行高温裂解，重复浸渍-高温裂解操作，直至得到密度为I.85-
1.9g/cm3碳陶复合材料;所述浸渍液I由聚甲基硅烷，和苯乙烯组成;所述高温裂解的温度为1000-1300。。;
[0008]步骤二
[0009]在保护气氛下，对步骤一所得碳陶复合材料进行高温处理，直至碳陶复合材料的密度降至1.82-1.88g/cm3，得到预成品;所述高温处理的温度为1450-1650°C ;
[0010]步骤三
[0011 ]将预成品置于浸渍液Π中，浸渍完成后，在保护气氛下进行裂解，裂解后打磨，重复循环浸渍浸渍液π -裂解-打磨操作直至得到密度为1.93-2.0g/cm3碳陶复合材料成品；所述浸渍液Π由硅粉和聚甲基硅烷按质量比10-24:100、优选为10-20:100、进一步优选为12:15-100组成;所述裂解的温度为1200-1300°C。
[0012]本发明一种碳陶复合材料的制备方法，步骤一中密度为1.2-1.5g/cm3的C/C复合材料是通过下述方案制备的:
[0013]将密度为0.5-0.55g/cm3的2.5D针刺的炭纤维全网胎，置于沉积炉内，在保护气氛下进行化学气相沉积，直至其密度增加至1.2-1.5g/cm3后，在2300-2400°C高温处理2_4h，得到所述密度为1.2-1.5g/cm3的C/C复合材料;所述化学气相沉积时，控制炉内气压为2.0-3.0KPa、温度为900?1000°C、控制碳源气体与稀释气体的体积比为1:5-1:1，所述碳源为丙烯和/或天然气。
[0014]本发明一种碳陶复合材料的制备方法，步骤一中浸渍液I由苯乙烯与聚甲基硅烷质量比，苯乙烯:聚甲基硅烷=10?20:100组成;所述聚甲基硅烷的平均质量为800?900、黏度为0.02?0.03cps。
[0015]为了提升所得成品的性能，步骤一中，将密度为1.2-1.5g/cm3的C/C复合材料置于浸渍液I中，先进行真空超声浸渍，然后在进行加压超声浸渍，加压超声浸渍后，在保护气氛下，于1000-1300°进行高温裂解2-3小时(即单次高温裂解的时间为2-3小时)，然后重复循环真空超声浸渍-加压超声浸渍-高温裂解的操作直至得到密度为1.85-1.9g/cm3碳陶复合材料。
[0016]在工业化应用时，步骤一中，高温裂解后，随炉冷却至室温，后取出样品，对样品表面进行打磨后，重复循环真空超声浸渍-加压超声浸渍-高温裂解的操作直至得到密度为1.85-1.9g/cm3碳陶复合材料。
[0017]步骤一中，真空超声浸渍时，控制单次真空超声浸渍的时间为2_3h，控制真空度为
0.00IMPa。
[0018]步骤一中，加压超声浸渍时，控制单次加压超声浸渍的时间为2_3h，控制压力为2.5?3MPa0
[0019]步骤一中，真空超声浸渍和/或加压超声浸渍控制超声频率为80-100KHZ。
[0020]步骤二中，高温处理温度优选为1550_1600°C。
[0021]步骤二中，高温处理时，先以5-10°C/min升温速率至1000°C后，再以3-5°C/min升温速率至1450 0C后，保温2-4h，然后再以2-3°C/min升温速率至1550 °C，保温2_3h，自然降温O
[0022]步骤一中所述保护气氛选自氮气气氛、氩气气氛中的至少一种。
[0023]步骤二中所述保护气氛优选为氩气气氛。
[0024]为了提升最终产品的性能，将步骤二所得预成品浸泡在乙醇中30min，然后再超声清洗30min，取出，自然瞭干至表面无液体后，置于烘箱中于60_80°C干燥l_3h。
[0025]步骤三中，硅粉的粒度为为50-100nm，纯度大于等于97%，优选大于等于99 %。在本发明中所述纯度为质量纯度。
[0026]步骤三中，所述浸渍为真空浸渍，真空浸渍时控制真空度小于等于0.0OlMPa。
[0027]步骤三中，所述保护气氛选自氮气气氛、氩气气氛中的至少一种。
[0028]步骤三中，浸渍完成后，在保护气氛下，先以5-10°C/min升温至180-250°C保温2-3h 后，再 5-10°C/min 升温至450-600°C 保温 l_2h，接着以 3-5°C/min 升温至 1000-1300 °C 保温I _2h，完成一次裂解。
[0029]步骤一和步骤三中，所有聚甲基硅烷是通过下述步骤制备的；
[0030]步骤A
[0031]将铝粉加入钠砂中，保护气氛下，搅拌，得到备用钠砂;所述备用钠砂中Al与Na的质量比为I: 12?1:15;所述铝粉的粒度为30-50um，钠砂的粒度为0.5-10um;
[0032]步骤B
[0033]按Na与Si的摩尔比，Na: Si = 2.5?1:2?I配取备用钠砂和单体;在保护气氛下，先将钠砂装入反应釜中，然后加入有机溶剂;搅拌，升温至70-85°C后，，分至少2次将配取的单体滴入反应釜中，搅拌，进行回流反应;得到反应后液;所述单体为二氯甲基硅烷;所述有机溶剂选自烷烃、芳香烃中的一种、优选为甲苯;有机溶剂与所配取单体的体积之比为6:1?8:1；
[0034]步骤C
[0035]在保护气氛下，对步骤二所得反应后液进行离心处理，离心所得液体在保护气氛下经蒸馏处理，得到聚甲基硅烷。
[0036]本发明所制备碳陶复合材料可用刹车盘使用;特别适用于飞机刹车盘使用。
[0037]其它高动量运载系统制动所需刹车盘也可采用本发明所制备的碳陶复合材料。
[0038]原理与优势
[0039]本发明采用了PIP浸渍裂解工艺，相对于目前已有的反应渗硅法(RMI)制备的碳陶刹车盘，工艺更可控。且PIP法制备的碳化硅晶粒度为I Onm左右，相比RMI制备的大晶粒度碳化硅相比，在摩擦过程中，可以降低由磨粒磨损引起的刹车盘的磨损，刹车寿命延长。同时，PIP法制备的碳陶刹车盘，碳化硅分布很均匀，不存在CVI和RMI法制备的碳陶刹车盘碳化硅分布梯度大的问题，摩擦曲线平稳，振动小。
[0040]本发明采用先驱体聚甲基硅烷，聚甲基硅烷高温裂解产物富硅，苯乙烯的加入，既补充了碳源，使碳硅比1:1，又提高了聚甲基硅烷的交联度，增加陶瓷产率，经过1550-16000C的高温处理后，游离硅与游离碳完全充分反应生成碳化硅，没有残留的游离碳和游离硅影响刹车盘的刹车性能，成分及含量可控，便于工业化生产。
[0041]本发明将步骤一所得碳陶复合材料的密度控制在1.85-1.9g/cm3之间，旨在很好的控制碳化硅的含量。碳化硅为一种减摩材料，含量过低和过少，都会影响刹车盘的摩擦性能。碳化硅含量过高，刹车盘摩擦系数很低，制动距离过长;碳化硅含量过低，刹车盘硬度不够，不耐磨损，磨损量大，摩擦系数不稳，刹车盘寿命短。因此，碳陶刹车盘的碳化硅含量一般在20%-40 %。因此，在本发明中，选用1.2-1.5g/cm3的C/C刹车盘坯体，陶瓷化至密度为1.85-1.9g/cm3，即碳化硅含量在22 %-35 %之间，可以很好的控制碳化硅的含量，在保证刹车盘