本发明涉及无机非金属复合材料制备的技术领域，尤其涉及一种碳化硅-碳复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
刹车片是制动装置的核心部件，刹车片的材料性能是制约刹车性能的关键。伴随着对各种制动状况的需求和约束不断提高，如高铁制动装置、大飞机制动装置等，对核心部件的关键材料要求也越来越高。传统的制动材料(合金材料、纯碳材料、传统陶瓷材料等)已经很难满足在耐摩擦磨损性能、韧性、抗热震性、比重、导热等性能方面新的需求。
碳化硅材料由于其优异的力学性能、耐摩擦磨损、耐高温、抗氧化、抗烧蚀性能，被认为是具有高性能的陶瓷原料。在众多领域广泛应用。
碳材料具有韧性好、导热性高和比重小等优良的性能。碳化硅-碳复合材料结合了碳化硅和碳材料的优点，这种复合材料比纯碳化硅材料韧性好，可以抗氧化、抗热震，比模量高、比强度高、且具有更优异的高温力学性能。碳化硅-碳复合材料在航空、航天、海洋工程、先进制造、新能源等方面具有广阔的应用前景。将碳化硅-碳复合材料应用于刹车片的制造，不仅可以使刹车片具有盘密度小、刹车平稳，磨损失重率小、热容量大等优势，而且克服了吸湿性大、湿态摩擦系数低、静摩擦系数低、适应性差的不足。
目前，制备碳化硅-碳复合材料的方法主要四种，包括前驱体浸渍裂解法、化学气相渗透法、热压法和气相渗硅法。其中，前驱体浸渍裂解法对原材料的要求苛刻且前驱体的价格昂贵；化学气相渗透法对制备温度和条件要求很高；热压法对的设备价格昂贵；液相或气相渗硅法制品的性能略低。这些方法有些原料苛刻，有些生产成本很高，普通企业难以承担，大规模推广存在一定的困难。
同时，以上四种制备碳化硅-碳复合材料的方法中所用原材料有的为碳化硅砂、有的为有机前驱体、有的为合成碳纤维等成本相对高昂的原材料，且不具备环保优势。不能实现资源再利用和变废为宝。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种耐摩擦磨损性能好、热容量大的碳化硅-碳复合材料，该碳化硅-碳复合材料具有良好导热性能、导电性能、抗熔体侵蚀性能和抗渗透性能好；并提供了一种利用废旧资源、成本低廉、易实现的碳化硅-碳复合材料的制备方法；该碳化硅-碳复合材料适用于刹车片。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种碳化硅-碳复合材料，该碳化硅-碳复合材料的质量百分比组成包括：碳化硅相为50-99wt％，游离碳相为0-50wt％，游离硅相为0-35wt％，其它物相为0-2wt％；其中所述的其它物相为fe、b、p或k中一种或多种元素的氧化物或碳化物杂相。
进一步地，所述的游离碳相的显微形貌为长度1-50μm的束状纤维结构。
进一步地，所述碳化硅-碳复合材料为粒径为10-1000μm的颗粒。
一种碳化硅-碳复合材料的备制方法，包括以下步骤：
(1)、将报废的高硅氧玻璃破碎，得到粒径为200～500μm的高硅氧玻璃粉末；
(2)、将废旧的秸秆剪切破碎，得到长度＜500μm的秸秆碎片；
(3)、将高硅氧玻璃粉末、秸秆碎片、酚醛树脂、pva、乙醇搅拌混合1-2h后，压制成饼，90℃烘干1-2h后，150-180℃固化3-5h；其所用的原料按以下质量比配比：高硅氧玻璃粉末占固相物料质量的50-90％，秸秆碎片占固相物料的质量的10-50％，酚醛树脂占固相物料质量的0-20％，pva占固相物料质量的0-5％，乙醇为固相物料质量的0-20％；
(4)、将固化后的圆饼放入高温炉中，充入惰性气体，将高温炉以5-10℃/min的升温速度升温至600-1000℃后热处理2-12h；然后将高温炉以2-5℃/min的升温速度升温至1400-1800℃，并将圆饼在1400-1800℃于还原气氛中保温12-24h，然后随炉降温，得到降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼；
(5)、将降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼破碎为粒径10-1000μm的颗粒。
进一步地，步骤(1)中所述的高硅氧玻璃中，sio2的含量≥96wt％，fe的含量＜0.2wt％，b2o3的含量≤1.5wt％。原材料纯度高，有利于保证碳化硅-碳复合材料的纯度。
进一步地，步骤(2)中所述的秸秆的c含量≥85wt％。提供纯度高、尺寸小且活性高的原材料，有利于保证碳化硅-碳复合材料的纯度。
进一步地，步骤(3)中所用的原料按以下质量比配比：所述的高硅氧玻璃粉末占固相物料质量的60％，秸秆碎片占固相物料质量的35％，酚醛树脂占固相物料质量的4.5％，pva占固相物料质量的0.5％，乙醇为固相物料质量的15％。
进一步地，步骤(3)中所述的酚醛树脂为粒径为200-600μm的固体粉末或固含量>70％的粘稠液体，所述的酚醛树脂的残炭率＞50％。酚醛树脂具有粘性好，并可以提供一部分碳源，从而保证圆饼坯体强度和控制碳化硅-碳复合材料中碳的含量。
进一步地，步骤(4)中所述的惰性气体为n2或ar，所述的还原气氛为氢气与氮气的混合气体，其中所述的氢气体积比为3-5％。防止材料被高温氧化。
上述碳化硅-碳复合材料在刹车片应用。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.制备的碳化硅-碳复合材料不仅具有优异的耐摩擦磨损性能、热容量大、良好性能的导热和导电性能，且具有优良的抗熔体侵蚀性能和抗渗透性能，还具有优异的高温力学性能、抗氧化性能、热震稳定性能、高比强度、高比模量和抗脆性断裂特点；是适用于刹车片的优良材料。
2.秸秆在高温炉中热处理后残留的纤维结构在碳化硅-碳复合材料中起到了增强增韧的作用，提高了该复合材料的机械性能、降低脆性断裂；性能优异；可进一步提高刹车片的综合性能；
3.采用废秸秆为碳源、报废高硅氧玻璃为原材料，实现资源再利用、节能环保且成本低廉；
4.降低对设备、原材料、加工条件要求等方面的要求，提供了一种简捷的加工方法，具有工艺简单、成本低廉的优点；
5.两段升温、两段保温，两次气体保护，防止氧化；从室温到600-1000℃第一段升温和保温，是促使秸秆转化为碳的过程，同时也是高硅氧玻璃初始熔化的阶段；后一个阶段是sio2和c向sic反应的阶段，在高温炉中进行，提供高温环境，并在这两个阶段中冲入气体保护，防止氧化，有利于得到高纯度的碳化硅-碳复合材料；
6.采用pva和乙醇分别起到成型、固化和粘结作用。
具体实施方式
以下实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：一种碳化硅-碳复合材料，该碳化硅-碳复合材料的质量百分比组成包括：碳化硅相为50wt％，游离碳相为48wt％，游离硅相为1wt％，其它物相为1wt％；其中其它物相为fe、b、p或k中一种或多种元素的氧化物或碳化物杂相。游离碳相的显微形貌为长度1μm的束状纤维结构。碳化硅-碳复合材料为粒径为10μm的颗粒。
实施例二：一种碳化硅-碳复合材料，该碳化硅-碳复合材料的质量百分比组成包括：碳化硅相为99wt％，游离碳相为0.5wt％，游离硅相为0.2wt％，其它物相占质量比为0.3％；其中其它物相为fe、b、p或k中一种或多种元素的氧化物或碳化物杂相。游离碳相的显微形貌为长度50μm的束状纤维结构。碳化硅-碳复合材料为粒径为1000μm的颗粒。
实施例三：一种碳化硅-碳复合材料，该碳化硅-碳复合材料的质量百分比组成包括：碳化硅相为70wt％，游离碳相为20wt％，游离硅相为8wt％，其它物相为2wt％；其中其它物相为fe、b、p或k中一种或多种元素的氧化物或碳化物杂相。游离碳相的显微形貌为长度25μm的束状纤维结构。碳化硅-碳复合材料为粒径为500μm的颗粒。
实施例四：上述碳化硅-碳复合材料的备制方法，包括以下步骤：
(1)、将报废的高硅氧玻璃破碎，得到粒径为200μm的高硅氧玻璃粉末，其中sio2的含量96wt％，fe的含量0.15wt％，b2o3的含量1.5wt％；
(2)、将废旧的秸秆剪切破碎，得到长度400μm秸秆碎片，其中c含量85wt％；
(3)、将高硅氧玻璃粉末、秸秆碎片、酚醛树脂、pva、乙醇搅拌混合1h后，压制成饼，90℃烘干1h后，150℃固化3h；其所用的原料按以下质量比配比：高硅氧玻璃粉末占固相物料质量的50％，秸秆碎片占固相物料的质量的48％，酚醛树脂占固相物料质量的1％，pva占固相物料质量的1％，乙醇为固相物料质量的1％；
(4)、将固化后的圆饼放入高温炉中，充入惰性气体，将高温炉以5℃/min的升温速度升温至600℃后热处理2h；然后将高温炉以2℃/min的升温速度升温至1400℃，并将圆饼在1400℃于还原气氛中保温12h，然后随炉降温，得到降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼；
(5)、将降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼破碎为粒径10μm的颗粒。
步骤(3)中酚醛树脂为粒径为200μm的固体粉末或固含量75％的粘稠液体，酚醛树脂的残炭率为55％。
步骤(4)中惰性气体为n2或ar，还原气氛为氢气与氮气的混合气体，其中氢气体积比为3％。
实施例五：基于上述碳化硅-碳复合材料的备制方法，包括以下步骤：
(1)、将报废的高硅氧玻璃破碎，得到粒径为300μm的高硅氧玻璃粉末，其中sio2的含量98wt％，fe的含量0.1wt％，b2o3的含量1wt％。；
(2)、将废旧的秸秆剪切破碎，得到长度300μm秸秆碎片，其中c含量为90wt％；
(3)、将高硅氧玻璃粉末、秸秆碎片、酚醛树脂、pva、乙醇搅拌混合1.5h后，压制成饼，90℃烘干1.5h后，160℃固化4h；其所用的原料按以下质量比配比：高硅氧玻璃粉末占固相物料质量的60％，秸秆碎片占固相物料质量的35％，酚醛树脂占固相物料质量的4.5％，pva占固相物料质量的0.5％，乙醇为固相物料质量的15％；
(4)、将固化后的圆饼放入高温炉中，充入惰性气体，将高温炉以6℃/min的升温速度升温至800℃后热处理6h；然后将高温炉以3℃/min的升温速度升温至1600℃，并将圆饼在1600℃于还原气氛中保温18h，然后随炉降温，得到降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼；
(5)、将降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼破碎为粒径500μm的颗粒。
步骤(3)中酚醛树脂为粒径为400μm的固体粉末或固含量80％的粘稠液体，酚醛树脂的残炭率为60％。
步骤(4)中惰性气体为n2或ar，还原气氛为氢气与氮气的混合气体，其中氢气体积比为4％。
实施例六：基于上述碳化硅-碳复合材料的备制方法，包括以下步骤：
(1)、将报废的高硅氧玻璃破碎，得到粒径为400μm的高硅氧玻璃粉末，其中sio2的含量99wt％，fe的含量0.05wt％，b2o3的含量0.5wt％；
(2)、将废旧的秸秆剪切破碎，得到长度200μm秸秆碎片，其中c含量95wt％；
(3)、将高硅氧玻璃粉末、秸秆碎片、酚醛树脂、pva、乙醇搅拌混合1.8h后，压制成饼，90℃烘干1.8h后，170℃固化4.5h；其所用的原料按以下质量比配比：高硅氧玻璃粉末占固相物料质量的70％，秸秆碎片占固相物料的质量的25％，酚醛树脂占固相物料质量的3.5％，pva占固相物料质量的1.5％，乙醇为固相物料质量的10％；
(4)、将固化后的圆饼放入高温炉中，充入惰性气体，将高温炉以8℃/min的升温速度升温至900℃后热处理10h；然后将高温炉以4℃/min的升温速度升温至1700℃，并将圆饼在1700℃于还原气氛中保温20h，然后随炉降温，得到降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼；
(5)、将降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼破碎为粒径800μm的颗粒。
步骤(3)中酚醛树脂为粒径为500μm的固体粉末或固含量85％的粘稠液体，酚醛树脂的残炭率为70％。
步骤(4)中惰性气体为n2或ar，还原气氛为氢气与氮气的混合气体，其中氢气体积比为4.5％。
实施例七：基于上述碳化硅-碳复合材料的备制方法，包括以下步骤：
(1)、将报废的高硅氧玻璃破碎，得到粒径为500μm的高硅氧玻璃粉末，其中sio2的含量99.5wt％，fe的含量0.01wt％，b2o3的含量0.3wt％；
(2)、将废旧的秸秆剪切破碎，得到长度100μm秸秆碎片，其中c含量98wt％；
(3)、将高硅氧玻璃粉末、秸秆碎片、酚醛树脂、pva、乙醇搅拌混合2h后，压制成饼，90℃烘干2h后，180℃固化5h；其所用的原料按以下质量比配比：高硅氧玻璃粉末占固相物料质量的85％，秸秆碎片占固相物料的质量的10％，酚醛树脂占固相物料质量的3.5％，pva占固相物料质量的1.5％，乙醇为固相物料质量的5％；
(4)、将固化后的圆饼放入高温炉中，充入惰性气体，将高温炉以10℃/min的升温速度升温至1000℃后热处理12h；然后将高温炉以5℃/min的升温速度升温至1800℃，并将圆饼在1800℃于还原气氛中保温24h，然后随炉降温，得到降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼；
(5)、将降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼破碎为粒径1000μm的颗粒。
步骤(3)中酚醛树脂为粒径为600μm的固体粉末或固含量90％的粘稠液体，酚醛树脂的残炭率为80％。
步骤(4)中惰性气体为n2或ar，还原气氛为氢气与氮气的混合气体，其中氢气体积比为5％。