专利名称：一种高性能炭/炭摩阻材料的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能炭/炭摩阻材料的制造方法，特别是一种炭布迭层增强多元基体的高性能炭/炭摩阻材料的制造方法。
背景技术：
新型高速列车、磁浮列车、赛车的行使速度达200-500km/h，其刹车制动系统必须采用长寿命、高速抗摩、耐高温摩阻材料，才能保证列车的刹车安全可靠性，炭纤维增强高性能基体的炭/炭复合材料是新一代刹车制动材料的首选，其特点是耐高温、使用寿命是金属材料的5-10倍、高温抗摩性好，力学性能好。目前，高速列车、赛车采用粉末冶金法制造的金属材料刹车片，其缺点是使用寿命短、高温磨损量大，磁浮列车通常采用复合材料刹车部件，磁浮列车现有的刹车材料采用的炭/炭材料，层间性能低，高温摩擦性能不稳定、使用过程中易发生分层导致工作可靠性下降。
发明内容
本发明解决的技术问题是为了克服现有摩阻材料寿命较短、高温磨损量大、使用过程中摩擦性能不稳定、剪切性能不高的缺点，提供一种炭布迭层增强多元基体的高性能炭/炭复合摩阻材料的制造方法，该方法通过炭布增强体迭层优化设计，经过高树脂炭浸渍、填充高温热解炭和高温渗硅，形成力学性能优异、高温摩擦性能和结构稳定性优良的炭/炭摩阻材料，尤其是抗压、抗剪性能突出，摩擦系数低，工艺简便，易实现工程化生产。
本发明的技术解决方案是一种高性能炭/炭摩阻材料的制造方法，其特点在于(1)采用耐高温酚醛树脂浸渍的预浸炭布进行迭层铺放后，形成炭布迭层增强体；(2)将炭布迭层增强体在150-300℃进行热压固化，固化压力2-8MPa，固化时间1-6小时，形成树脂基炭布增强体，再经机加后形成净尺寸毛坯件；(3)将树脂基炭布增强体置于高温处理炉中进行N2保护下的高温炭化处理，将树脂炭转化为耐高温的裂解炭，使树脂基增强体转变为炭/炭骨架；高温炭化温度控制在400-1000℃，整个炭化过程采用N2做保护气体，升温速率控制在20-100℃/h；(4)将低密度炭/炭骨架置于限域均热沉炭炉内，采用等温CVD致密工艺，工艺温度为700-1300℃，炉内真空度为10-100KPa，以丙烯气体(C3H6)作沉积致密前驱体，经300-600小时，形成热解炭基体，同时以氢气(H2)作填充载气，填充致密炭/炭骨架，提高其密度；(5)将填充致密后的炭/炭制品置于石墨化炉中，采用高温反应渗硅法，将硅基体引入炭/炭制品，高温下反应形成炭化硅，工艺温度为1300℃-2000℃，形成树脂裂解炭(RC)、CVD热解炭(CVD-C)、炭化硅(SiC)多元基体结构的炭/炭复合材料；(6)炭布迭层增强多元基体炭/炭复合炭/炭材料经铣削，磨削、抛光、精密机加等工序，制成符合使用要求的炭/炭材料刹车制动部件。
所述步骤(1)中采用预浸炭布迭层铺放制取炭布迭层增强体，为采用易浸透的编织炭布浸渍耐高温酚醛树脂，预浸炭布的耐高温酚醛树脂含量控制在30-65％，按照纤维取向和用时受力方向对预浸炭布进行迭层设计铺放，铺放的厚度控制在40-60mm，形成炭布迭层增强体；
所述步骤(2)中固化加压时机视酚醛树脂的凝胶点而定，固化压力根据设计的含胶量来确定，本专利采用的耐高温树脂凝胶点在130-200℃，因此当固化温度在此温度区间内可施加固化压力；固化压力根据设计的含胶量来确定，本专利炭/炭材料的设计含胶量为20-60％，因此固化压力在1-10MPa；所述步骤(3)中炭/炭骨架炭化升温速率控制在20-100℃/h，密度小于1.2g/cm3；所述步骤(4)C3H6和H2的流量视炭/炭骨架的体积和质量而定，C3H6流量0.5-1.5m3/h，H2流量范围可控制在0.1-0.6m3/h，反复1-2个致密周期，使炭/炭骨架密度达到1.65g/cm3以上；所述步骤(5)中氩气流量视装炉的炭/炭制品的体积和质量而定，氩气流量范围可控制在0.3-1.5m3/h。
本发明与现有技术相比的有益效果是(1)采用预浸炭布迭层设计方法制取炭布增强体，可根据使用要求实现有利于提高力学性能和摩擦性能的迭层结构设计，可设计性强，调节耐磨树脂炭和增强体炭布的含量，从而起到设计性能的作用，工艺简便、成本较低；(2)采用高温炭化处理，使树脂炭转化为耐磨性能良好的树脂热裂解炭，明显提高了炭/炭制动摩阻材料的基体耐磨性能；(3)采用限域均热CVD致密工艺，提高了致密效率，将耐磨性能优异的CVD热解炭基体填充到炭/炭骨架中，具有较高的热解炭含量，和树脂裂解炭一起形成抗摩性能优良的炭基体，显著提高了制动摩阻材料的整体耐磨性能；(4)采用高温反应浸渗法在炭/炭材料中引入耐高温、抗氧化、耐磨的SiC基体，进一步提高了炭/炭制动摩阻材料的高温耐磨性能；(5)采用以上技术制备的制动摩阻材料，具有优异的抗剪性能，层剪强度达25MPa以上，摩擦性能优良；工艺可实现性强，周期较短，可在2-3个月内生产一批产品，易于实现工业化生产。
图1为采用本发明的方法制造的炭/炭盘式制动部件；图2为采用本发明的方法制造的炭/炭板式制动部件；图3为采用本发明的方法制造的炭/炭槽式制动部件。
具体实施例方式
实施例1(1)采用酚醛树脂含量为40％的预浸炭布，裁剪后迭层铺放，迭层厚度为45mm，制成炭布迭层增强体；(2)炭布迭层增强体在160℃下热压固化，固化压力根据含胶量来确定为固化压力4MPa，固化加压温度为160℃，固化时间3h，热压固化后形成树脂基炭布增强体，经机加后形成净尺寸毛坯件；(3)将树脂基炭布增强体在800℃N2保护下进行炭化，升温速率控制在30℃/h，形成密度小于1.2g/cm3的炭/炭骨架；(4)炭/炭骨架在限域均热CVD炉中致密，工艺温度为900℃，炉内真空度为80KPa，以丙烯气体(C3H6)作沉积致密前驱体，以氢气(H2)作填充载气，C3H6、H2流量根据炭/炭骨架的体积和质量确定，C3H6流量0.6-1.2m3/h，H2流量范围可控制在0.1-0.4m3/h，反复1-2个致密周期，使炭/炭骨架密度达到1.65g/cm3以上，形成致密的炭/炭复合材料；(5)将炭/炭材料进行高温反应渗硅，工艺温度为1650℃，在氩气(Ar)保护下进行，氩气流量范围可控制在0.6-1.2m3/h，形成炭布迭层增强多元基体炭/炭复合材料；(6)炭布迭层增强多元基体炭/炭复合材料经铣削，磨削、抛光、精密机加等工序，制成符合使用要求的炭/炭材料刹车制动部件，例如图1所示的炭/炭盘式制动部件、图2所示的炭/炭板式制动部件和图3所示的炭/炭槽式制动部件。
实施例2(1)采用酚醛树脂含量为50％的预浸炭布，裁剪后迭层铺放，迭层厚度为40mm，制成炭布迭层增强体；(2)炭布迭层增强体在150℃下热压固化，固化压力根据含胶量来确定为固化压力3MPa，固化加压温度为150℃，固化时间4h，热压固化后形成树脂基炭布增强体，经机加后形成净尺寸毛坯件；(3)将树脂基炭布增强体在700℃N2保护下进行炭化，升温速率控制在20℃/h，形成密度小于1.2g/cm3的炭/炭骨架；(4)炭/炭骨架在限域均热CVD炉中致密，工艺温度为1000℃，炉内真空度为50KPa，以丙烯气体(C3H6)作沉积致密前驱体，以氢气(H2)作填充载气，C3H6流量为0.7-1.3m3/h，H2流量流量为0.1-0.3m3/h根据炭/炭骨架的体积和质量确定，反复1-2个致密周期，使炭/炭骨架密度达到1.65g/cm3以上，形成致密的炭/炭复合材料；(5)将炭/炭材料进行高温反应渗硅，工艺温度为1700℃，在氩气(Ar)保护下进行，氩气流量为0.8-1.4m3/h，形成炭布迭层增强多元基体炭/炭复合材料；(6)炭布迭层增强多元基体炭/炭复合材料经铣削，磨削、抛光、精密机加等工序，制成符合使用要求的炭/炭材料刹车制动部件。
实施例3(1)采用酚醛树脂含量为55％的预浸炭布，裁减后迭层铺放，迭层厚度为45mm，制成炭布迭层增强体；(2)炭布迭层增强体在150℃下热压固化，固化压力根据含胶量来确定为固化压力2MPa，固化加压温度为150℃，固化时间3.5h，热压固化后形成树脂基炭布增强体，经机加后形成净尺寸毛坯件；(3)将树脂基炭布增强体在750℃N2保护下进行炭化，升温速率控制在25℃/h，形成密度小于1.2g/cm3的炭/炭骨架；(4)炭/炭骨架在限域均热CVD炉中致密，工艺温度为1100℃，炉内真空度为60KPa，以丙烯气体(C3H6)作沉积致密前驱体，以氢气(H2)作填充载气，C3H6流量为0.7-1.3m3/h，H2流量流量为0.1-0.3m3/h根据炭/炭骨架的体积和质量确定，反复1-2个致密周期，使炭/炭骨架密度达到1.65g/cm3以上，形成致密的炭/炭复合材料；(5)将炭/炭材料进行高温反应渗硅，工艺温度为1750℃，在氩气(Ar)保护下进行，氩气流量为0.7-1.3m3/h，形成炭布迭层增强多元基体炭/炭复合材料；(6)炭布迭层增强多元基体炭/炭复合材料经铣削，磨削、抛光、精密机加等工序，制成符合使用要求的炭/炭材料刹车制动部件。
实施例4(1)采用酚醛树脂含量为45％的预浸炭布，裁剪后迭层铺放，迭层厚度为35mm，制成炭布迭层增强体；(2)炭布迭层增强体在150℃下热压固化，固化压力根据含胶量来确定为固化压力2.5MPa，固化加压温度为150℃，固化时间3h，热压固化后形成树脂基炭布增强体，经机加后形成净尺寸毛坯件；(3)将树脂基炭布增强体在750℃N2保护下进行炭化，升温速率控制在35℃/h，形成密度小于1.2g/cm3的炭/炭骨架；(4)炭/炭骨架在限域均热CVD炉中致密，工艺温度为1050℃，炉内真空度为50KPa，以丙烯气体(C3H6)作沉积致密前驱体，以氢气(H2)作填充载气，C3H6流量为0.6-1.2m3/h，H2流量流量为0.1-0.3m3/h根据炭/炭骨架的体积和质量确定，反复1-2个致密周期，使炭/炭骨架密度达到1.65g/cm3以上，形成致密的炭/炭复合材料；(5)将炭/炭材料进行高温反应渗硅，工艺温度为1800℃，在氩气(Ar)保护下进行，氩气流量为0.7-1.3m3/h，形成炭布迭层增强多元基体炭/炭复合材料；(6)炭布迭层增强多元基体炭/炭复合材料经铣削，磨削、抛光、精密机加等工序，制成符合使用要求的炭/炭材料刹车制动部件。
权利要求
1.一种高性能炭/炭摩阻材料的制造方法，其特征在于(1)采用耐高温酚醛树脂浸渍的预浸炭布进行迭层铺放后，形成炭布迭层增强体；(2)将炭布迭层增强体在150-300℃进行热压固化，固化压力2-8MPa，固化时间1-6小时，形成树脂基炭布增强体，再经机加后形成净尺寸毛坯件；(3)将树脂基炭布增强体置于高温处理炉中进行N2保护下的高温炭化处理，将树脂炭转化为耐高温的裂解炭，使树脂基增强体转变为炭/炭骨架；(4)将低密度炭/炭骨架置于限域均热沉炭炉内，采用等温CVD致密工艺，工艺温度为700-1300℃，以丙烯气体(C3H6)作沉积致密前驱体，经300-600小时，形成热解炭基体，同时以氢气(H2)作填充载气，填充致密炭/炭骨架，提高其密度；(5)将填充致密后的炭/炭制品置于石墨化炉中，采用高温反应渗硅法，将占整个材料重量的5-20％的硅基体引入炭/炭制品，高温下反应形成炭化硅，工艺温度为1300℃-2000℃，形成树脂裂解炭(RC)、CVD热解炭(CVD-C)、炭化硅(SiC)多元基体结构的炭/炭复合材料；(6)炭布迭层增强多元基体炭/炭复合炭/炭材料经铣削，磨削、抛光、精密机加等工序，制成符合使用要求的炭/炭材料刹车制动部件。
2.根据权利要求1所述的高性能炭/炭摩阻材料的制造方法，其特征在于所述步骤(1)中采用预浸炭布迭层铺放制取炭布迭层增强体的步骤为采用易浸透的编织炭布浸渍耐高温酚醛树脂，预浸炭布的耐高温酚醛树脂含量控制在30-65％，按照纤维取向和使用时受力方向对预浸炭布进行迭层设计铺放，铺放的厚度控制在40-60mm，形成炭布迭层增强体。
3.根据权利要求1所述的高性能炭/炭摩阻材料的制造方法，其特征在于所述步骤(2)中固化加压的压力根据耐高温酚醛树脂的凝胶点而定，本专利采用的耐高温树脂凝胶点在130-200℃，因此当固化温度在此温度区间内可施加固化压力；固化压力根据设计的含胶量来确定，本专利炭/炭材料的设计含胶量为20-60％，因此固化压力在1-10MPa。
4.根据权利要求1所述的高性能炭/炭摩阻材料的制造方法，其特征在于所述步骤(3)中炭/炭骨架炭化升温速率控制在20-100℃/h，密度小于1.2g/cm3。
5.根据权利要求1所述的高性能炭/炭摩阻材料的制造方法，其特征在于所述高温炭化温度控制在400-1000℃，整个炭化过程采用N2做保护气体，升温速率控制在20-100℃/h。
6.根据权利要求1所述的一种高性能炭/炭摩阻材料的制造方法，其特征在于所述步骤(4)中C3H6和H2的流量视炭/炭骨架的体积或质量而定，其流量范围为0.5-1.5m3/h，H2流量范围为0.1-0.6m3/h，反复1-2个致密周期，使炭/炭骨架密度达到1.65g/cm3以上。
7.根据权利要求1所述的高性能炭/炭摩阻材料的制造方法，其特征在于所述步骤(4)中的炉内真空度为10-100KPa。
8.根据权利要求1所述的高性能炭/炭摩阻材料的制造方法，其特征在于所述步骤(5)中氩气流量视装炉的炭/炭制品的体积和质量而定，其流量范围为在0.3-1.5m3/h。
全文摘要
一种高性能炭/炭复合摩阻材料的制造方法，可用于高速列车、磁悬浮列车、赛车的制动刹车系统，其特点在于采用迭层编织炭布作增强骨架，以粗糙型热解炭、耐磨、耐高温树脂裂解炭填充致密炭增强骨架，形成高密度耐磨炭/炭材料，并以高温反应渗硅法添加抗氧化SiC基体，以提高这种炭/炭材料的高温摩擦性能和表面摩阻性能。本发明抗压、抗剪性能突出，摩擦系数低，工艺简便，易实现工程化生产。
文档编号C09K3/14GK1687291SQ200510059999
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月6日 优先权日2005年4月6日
发明者苏红, 张晓虎, 崔红, 姚冬梅, 赵景鹏, 李崇俊 申请人:西安航天复合材料研究所