本发明属于新材料技术领域，特别涉及一种陶瓷基复合材料。
背景技术：
全球轨道交通由于中国高速铁路的大发展，正在经历着再次复兴和产业的大变局大整合。欧洲和日本等高铁先发国家正在启动实施大规模的产业整合和技术创新，以应对来自中国的挑战，试图保持和重新获取其在全球的领先地位和竞争力。欧洲启动的shift2rail铁路科技创新计划就是典型的例子，时速430公里的高速铁路是他们的目标，而且，欧洲、韩国已经完成时速430公里高速列车的运行实验考核。
我国在继“中国高速列车自主创新联合行动计划”、国家高速列车科技发展重点专项之后，已经启动了国家重点研发计划“先进轨道交通重点专项”。这一专项的几个标志性的目标成果是研发具有变结构走行系、可实现跨国互联互通的时速400公里及以上高速列车和配套技术、时速600公里的高速磁浮交通系统、时速250公里的高速货运系统等，并且也在高速铁路系统安全保障、全生命周期服役能力保持、高速铁路智能化、绿色化等技术方向全面部署实施了大量科技创新任务。科技创新任务的顺利完成，将使中国在全球高速铁路领域持续保持领先者的地位。
随着科技的进步，高速铁路的速度得到不断提高，其刹车制动装置的使用条件也越来越苛刻，人们对其性能要求也在不断提高，这要求刹车制动装置要在短时间使得高铁停下来。这会使高铁巨大的动能转化成制动刹车片的摩擦热能，摩擦副表面温度会急剧上升，这样会影响到摩擦材料的摩擦系数，使得高铁的安全性、可靠性降低。因此，为了满足高速铁路的综合技术指标，这就需要不断的探讨和开发出高性能的刹车材料。相关研究表明，现有的刹车片材料，已很难满足车速不断提高的要求，特别是高速状态下制动摩擦引起的摩擦热，对现在采用的金属刹车片中常用的减摩材料-石墨提出了质疑，对常用的铜基其结合剂提出了质疑：摩擦热引起的高温经常超过600℃甚至在短时间达到或接近1000℃，会使抗氧化温度只有400℃的石墨发生氧化，从而使刹车片整体的摩擦系数发生较大变化，使刹车片工作不稳定，寿命短；也使铜基结合剂发生软化甚至熔化致使高铁安全受到挑战，如专利号为201310108878.2的中国专利提出一种以mn+1xan层状化合物为减摩相的刹车片摩擦材料及制备方法、公开号为cn101571173a的中国专利提出一种高速列车刹车片及制备方法。用于飞机刹车片的碳/碳复合材料也存在性价比不高及易氧化等问题，公开号为cn102604596a的中国专利提出一种摩擦材料以及采用该摩擦材料的飞机刹车片制造工艺，即使通过加入较为抗氧化的氮化硼(hbn)、硫化钼(mos2)等减摩相，还必须加入8-16％的石墨，难以使人相信该材料能够大幅度提高抗氧化性。同时，大量氮化硼(hbn)、硫化钼(mos2)及石墨的加入也起到割裂基体组织的不良作用。在考虑刹车片的安全性的同时，也要考虑刹车片的使用寿命及更换周期,刹车偶件材料的变化也要求刹车片具有更好的耐磨损性能。因此，在制动过程中稳定的摩擦系数、较高的抗氧化性、良好合适的基体强韧性及经济性就成为这类刹车片摩擦复合材料的基本要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种摩擦系数稳定、高抗氧化性、抗高温软化性及耐摩擦磨损性能、适合于300km/h及以上高速刹车片使用的高速列车陶瓷基刹车片复合材料。本发明主要是以mn+1xan层状化合物为减摩材料，高熵化合物为结合剂及支撑硬质点材料，及不锈钢纤维为增韧材料，不锈钢粉末为结合剂及硬度调节材料制备的刹车片摩擦材料。
本发明的高速列车陶瓷基刹车片复合材料的组成物包括：mn+1xan系列层状化合物、高熵化合物、不锈钢纤维、不锈钢粉末、石墨和硫化钼，上述材料的质量百分比为mn+1xan系列层状化合物：高熵化合物：不锈钢纤维：不锈钢粉末：石墨：硫化钼＝40-70：15-35：5-15：5-20：0-4：0-4；
所述mn+1xan系列层状化合物为主要的减摩材料，其包括ti3sic2、ti3alc2、ti2alc、ti2aln或ti4aln3，粒度均为20-80μm；高熵化合物为市购的、由过渡族金属ti、v、nb、mo的碳化物或氮化物按等摩尔配比组成的高熵化合物，简称hec，粒径≤5μm；不锈钢纤维为平均直径≤10μm，长度2-5mm，材质为304或316l不锈钢，其合金元素与杂质含量符合国家标准；不锈钢粉末的粒径≤40μm，材质为304或316l不锈钢，其合金元素与杂质含量符合国家标准；石墨为市购工业纯石墨，粒径≤3μm；硫化钼为市购工业纯硫化钼，粒径≤3μm。
本发明的制备方法如下：
(1)混合：将不锈钢粉末、石墨、硫化钼(mos2)及hec的粉体放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入不锈钢纤维、mn+1xan继续混合30分钟；
(2)热压烧结：将步骤(1)混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至(6-9)×10-2pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至15-50mpa，升温至1100-1200℃，并在此温度下保持15-30分钟；保温结束后，自然冷却至≤60℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体，制得高速列车陶瓷基刹车片复合材料。
hec可以与不锈钢及mn+1xan良好结合，且膨胀系数可调；mn+1xan是具有层状结构的陶瓷材料，类似石墨的晶体结构和摩擦系数，而抗氧化温度却在1000℃以上，远高于石墨的400℃；不锈钢纤维及粉末可根据韧性及硬度要求加入，在烧结后与hec及mn+1xan良好结合，并且在长期存放、运行过程中受潮后没有锈点；烧结后复合材料无低熔点金属或化合物存在，完全可以满足刹车片对高温及摩擦磨损方面的要求。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
制得的摩擦复合材料烧结体获得的硬度为hv8.2-10.5gpa，相对密度为95-98％，摩擦系数在0.35-0.43之间，并且在室温至1000℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦表面进入稳定状态，摩擦系数稳定在0.37-0.42左右，表现出了优异的高温稳定性。
具体实施方式
实施例1
按质量比：ti3sic240％、不锈钢纤维5％、不锈钢粉末16％、硫化钼(mos2)4％、hec35％，将粒径≤40μm的不锈钢粉末、粒径≤3μm的硫化钼(mos2)、粒径≤5μm的hec按要求配混，放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入平均粒径为40μm的ti3sic2和平均直径≤10μm、长度为2-5mm的不锈钢纤维，继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至6×10-2pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至30mpa，升温至1200℃，并在此温度下保持15分钟；保温结束后，自然冷却至60℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体，制得高速列车陶瓷基刹车片复合材料。
采用上述方法获得的摩擦复合材料烧结体的硬度平均值为hv10.5gpa，相对密度为97％，摩擦系数在0.39-0.43之间，并且在室温-1000℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.40左右，表现出了优异的高温稳定性。
实施例2
按质量比：ti3sic270％、不锈钢纤维9％、不锈钢粉末5％、hec15％、石墨1％，将粒径≤40μm的不锈钢粉末、粒径≤3μm的石墨、粒径≤5μm的hec按要求配混，放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入平均粒径为20μm的ti3sic2和平均直径≤10μm、长度2-5mm的不锈钢纤维，继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至9×10-2pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至30mpa，升温至1200℃，并在此温度下保持30分钟；保温结束后，自然冷却至59℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体，制得高速列车陶瓷基刹车片复合材料。
采用上述方法获得的摩擦复合材料烧结体的硬度平均值为hv8.2gpa，相对密度为96％，摩擦系数在0.37-0.42之间，并且在室温-1000℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.41左右，表现出了优异的高温稳定性。
实施例3
按质量比：ti3alc240％、不锈钢纤维5％、不锈钢粉末16％、石墨4％、hec35％，将粒径≤40μm的不锈钢粉末、粒径≤3μm的石墨、粒径≤5μm的hec按要求配混，放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入粒径为80μm的ti3alc2和平均直径≤10μm、长度2-5mm的不锈钢纤维，继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至6×10-2pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至40mpa，升温至1200℃，并在此温度下保持15分钟；保温结束后，自然冷却至50℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体，制得高速列车陶瓷基刹车片复合材料。
采用上述方法获得的摩擦复合材料烧结体的硬度平均值为hv9.8gpa，相对密度为98％，摩擦系数在0.35-0.40之间，并且在室温-1000℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.39左右，表现出了优异的高温稳定性。
实施例4
按质量比：ti3sic255％、不锈钢纤维15％、不锈钢粉末10％、硫化钼(mos2)2％、石墨1％、hec17％，将粒径≤40μm的不锈钢粉末、粒径≤3μm的硫化钼(mos2)、粒径≤3μm的石墨及粒径≤5μm的hec按要求配混，放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入平均粒径为60μm的ti3sic2和平均直径≤10μm、长度2-5mm的不锈钢纤维，继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至7×10-2pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至50mpa，升温至1100℃，并在此温度下保持20分钟；保温结束后，自然冷却至59℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体，制得高速列车陶瓷基刹车片复合材料。
采用上述方法获得的摩擦复合材料烧结体的硬度平均值为hv9.9gpa，相对密度为97％，摩擦系数在0.37-0.42之间，并且在室温至1000℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.40左右，表现出了优异的高温稳定性。
实施例5
按质量比：ti3alc250％、不锈钢纤维5％、不锈钢粉末20％、石墨2％、hec23％，将粒径≤40μm的不锈钢粉末、粒径≤3μm的石墨、粒径≤5μm的hec按要求配混，放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入粒径为80μm的ti3alc2和平均直径≤10μm、长度2-5mm的不锈钢纤维，继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至9×10-2pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至15mpa，升温至1150℃，并在此温度下保持25分钟；保温结束后，自然冷却至55℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体，制得高速列车陶瓷基刹车片复合材料。
采用上述方法获得的摩擦复合材料烧结体的硬度平均值为hv8.9，相对密度为95％，摩擦系数在0.37-0.39之间，并且在室温至1000℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.39左右，表现出了优异的高温稳定性。