一种新型改性预制体的炭陶刹车片材料及其制造方法与流程

本发明涉及一种新型改性预制体的炭陶刹车片材料及其制造方法，属于汽车配件的制造领域。

背景技术：

刹车片是汽车、列车、摩托车等必须装备的自动部件，其性能的优劣直接影响车辆、装备的使用安全性。高耐磨损的刹车材料是车辆等安全保障的基础。

最初的刹车片材料是利用石棉纤维材料，填充酚醛树脂制造。其使用过程中高温产生热衰退，使其功能丧失。

有机粘结剂刹车片材料以有机粘结剂基材料，包含有30%～50%左右的铁质金属物（钢纤维、还原铁粉、泡沫铁粉）。这种材料耐热性好、单位面积吸收功率高、导热系数大、能适用于汽车在高速、重负荷运行时的制动工况。

粉末冶金刹车片材料是以铁基、铜基和铁铜基等金属及其合金为基体，添加制动组元和润滑组元，用粉末冶金方法制成的“金属陶瓷”材料，是摩擦式离合器与制动器的关键组件。这种材料存在密度高、易氧化生锈和使用寿命较短等缺陷。

碳/碳复合刹车片材料是以碳纤维或其编织物为增强相，以化学气相沉积的热解碳或液相浸渍的树脂碳为基体，组成的纯碳相复合材料，由碳/碳复合材料制成的刹车热库与原来的钢刹车盘热库相比，热容量提高了约2倍左右，质量减少20%～40%，使用寿命提高了1倍。为此复合这种材料具有湿态和静态摩擦系数低、热库体积大、易氧化、制备周期长、成本高等问题。

炭陶刹车片材料以具有抗氧化及摩擦磨损性能的组元材料对其基体，以碳纤维为增强体，以热解碳、改性组元为基体的一种多相复合刹车材料，具有热熔高，质量小，湿态刹车性能衰减大、耐盐雾腐蚀性强，抗热震和抗冲击能力强，还能实现浇水快速冷却，节约刹车时间10倍左右。

由于现有的刹车片材料存制备周期长，成本高，部分材料内在大量聚集分布的残余si，高能载刹车过程中，刹车片材料摩擦表面的温度可能超过1200℃，此时si可能会发生熔融而导致摩擦性能不稳定甚至失效。而sic基体硬且脆，摩擦表面难以形成稳定的摩擦膜，不利于高能刹车稳定性。另外，预制体结构的不均匀导致参与摩擦的组织结构不均匀，进而影响材料的摩擦磨损性能。

技术实现要素：

本发明针对现有刹车片材料的摩檫性能不稳，硬度过大，以及高频振荡，自动性能差，摩檫不均匀等问题，提出一种新型改性预制体的炭陶刹车材料及其制造方法。这种改性预制体是通过基体和涂层改性技术，将sic基、si基和硼基化合物引入到碳/陶多孔预制体内，制造出新一代的高性能，高效能，低成本的刹车片材料。

对于新型改性预制体的炭陶结构进行优化设计

首先，改进预制体结构设计，本发明采用新型的“三明治”结构的碳纤维预制体。如图１所示，“三明治”c/c复合材料由摩擦功能层和结构功能层组成。结构功能层是三维针刺结构。摩擦功能层内部的碳基相和孔隙分布都比较均匀，为后续sic基相和碳化硼基相均匀分布奠定了基础。“三明治”结构的应用使得参与摩擦的各物相分布较为均匀，有效提高了材料的摩擦稳定性，结构功能层位于材料的中间，摩擦功能层位于材料的外围，二者通过接力式针刺法连为一体。其中，结构功能层为典型的三维针刺结构，与三维针刺c纤维预制体的结构相同，摩擦功能层为纯胎网结。构如图1所示“三明治”结构层。

其次，液相硅渗透制备c/c-sic材料的工艺方法。

1.纤维制备，将碳纤维在丙酮溶液中超声清洗，去除表面污染物，然后烘干备用；将烘干的纤维在浓hno3溶液中进行刻蚀，即为粗化过程：将刻蚀后的碳纤维在配置好的敏化液溶液中敏化，将敏化液中还原剂矿csn²⁺，附着在纤维表面，缓慢洗涤去除cl^-备用；随后将带有还原剂矿的纤维在活化液中活化，活化纤维表面，使其表面附着活性中心cag2；最后将短切碳纤维清洗数次，在干燥箱中干燥备用。

2.c/c-sic材料多孔体的制备，以c3h6为气源，n2为稀释气体，采用化学气相渗透法（cvi）对预制体进行增密。将碳毡浸人酚醛树脂,放人自制的浸渍器里,抽真空后加压至1～2map，压10～24h,然后将试样取出放人烘箱中,在850℃～1100℃下固化5～15h最后将固化后的试样放人氖气保护的真空炉中碳化,碳化温度为850℃～1100℃。此过程重复1-100次,得到不同密度和气孔率的c/c多孔体。

3、添加改性材料，通过添加sic和碳化硼基化合物等填料，减低材料的磨损率，提高摩擦系数的稳定性。本发明采用浆料浸渗工艺在c/c多孔体的孔隙中引入了石墨粉，将大孔隙弥散成为比较细小均匀的小孔，使得残余si可以和石墨粉发生反应而消除，提高了材料摩擦性能的稳定性。其工艺途径如图2所示。

3、防氧化涂层处理。本发明采用溶胶－凝胶法制备了硼硅玻璃防氧化涂层，当材料无涂层时，键槽氧化严重，带涂层时，无明显氧化，因此涂层提高了c/c-sic刹车材料的抗氧化性。

本发明具有如下效益：（1）本发明的“三明治”c/sic刹车材料干态摩擦性能的稳定性提高，静摩擦系数提高，湿态条件下摩擦性能无衰减。（2）本发明通过一系列改性技术，突破了rmi-sic的可控、可调批量制造技术。（3）本发明了碳陶刹车材料组成、结构和性能的可控、可调方法，成功解决了因残留硅量不可控的难题。（4）本发明的“三明治”c/sic刹车材料刹车效率提高。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中

图1为“三明治”结构层碳纤维预制体。

图2为液相硅渗透制备c/c-sic材料的工艺流。

其中：1为摩擦功能层、2为机械功能层、3为℃无纺布层、4为短纤维网、5为90℃无纺布层。

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的

具体实现方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

以下结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明，但发明的具体汽车刹车片材料设计与制造方法实际制作结构并不限于以下的实例。

实施例1

1、改进预制体结构设计，本发明采用新型的“三明治”结构的碳纤维预制体。“三明治”c/c复合材料由摩擦功能层和结构功能层组成。结构功能层是三维针刺结构，结构功能层位于材料的中间，摩擦功能层位于材料的外围，二者通过接力式针刺法连为一体。其中，结构功能层为典型的三维针刺结构，与三维针刺c纤维预制体的结构相同，摩擦功能层为纯胎网结构，如图1所示“三明治”结构层。

、纤维的制备处理，本实验中所用的纤维为日本东丽公司生产的ｐａｎ基碳纤维的3k斜纹炭布和网胎交替叠层，采用接力针刺的方法将网胎中的纤维垂直刺入炭布制成准三维结构预制体，预制体为密度0.45g/cm³。

将3k斜纹炭布和网胎碳纤维在丙酮溶液中超声清洗30min，去除表面污染物，然后烘干备用；将烘干的纤维在浓hno3（65%）溶液中进行刻蚀，即为粗化：将刻蚀后的碳纤维在配置好的敏化液溶液中敏化5min，将敏化液中还原剂矿csn²⁺附着在纤维表面，缓慢洗涤去除cl^-备用；

敏化液配置方法：称取sncl2·2h2o12g，盐酸20ml，去离子水400ml。

在去离子水中加入盐酸，此阶段需用玻璃棒不断搅拌，再讲sncl2·2h2o加入到

溶液中，持续搅拌直至均匀；随后将带有还原剂矿的纤维在活化液中活化5min，活化纤维表面，使其表面附着活性中心cag2

活化液配制方法：称取agno34g，氨水12ml，去离子水400ml。

首先在去离子水中加入agno3，不断搅拌至完全溶解，再将氨水加入到溶液中，此时溶液较为浑浊。等到溶液变为无色时反应终止。

最后将短切碳纤维清洗数次，在干燥箱中干燥备用。

3、以c3h6为气源，n2为稀释气体，采用化学气相渗透法（cvi）对预制体进行增密。将碳毡浸人酚醛树脂,放人自制的浸渍器里,抽真空后加压至1.5map，压24h,然后将试样取出放人烘箱中,在1050℃下固化10h最后将固化后的试样放人氖气保护的真空炉中碳化,碳化温度为1050℃。此过程重复6次,得到不同密度和气孔率的c/c多孔体。

4、高温熔渗发硬制备c/c-sic复合材料的工艺过程为：将c/c多孔体放入含有sic、和碳化硼化合物粉末的包埋粉料中，将式样及包埋分量置于真空环境石墨柑祸中，在氦气氛保护下的真空炉中进行熔融渗硅，在2100℃的条件下进行高温熔渗反应，保持温度30min，基体中引入sic和b4c，最终制得c/c-sic-b4c复合材料，使用针刺编织预制体和三维编织预制体的复合材料的密度分别为2.16g/cm³和1.88g/cm³。

5、防氧化涂层处理，本发明采用溶胶－凝胶法制备了硼硅玻璃防氧化涂层，当材料无涂层时，键槽氧化严重，带涂层时，无明显氧化，因此涂层提高了c/c-sic刹车材料的抗氧化性。

实施例2

1、预制体结构设计，采用“三明治”夹层结构的碳纤维预制体。“三明治”夹层结构的c/c复合材料由摩擦功能层和结构功能层组成。结构功能层是三维针刺结构，结构功能层位于材料的中间，摩擦功能层位于材料的外围，二者通过接力式针刺法连为一体。其中，结构功能层为典型的三维针刺结构，与三维针刺c纤维预制体的结构相同，摩擦功能层为纯胎网结构，如图1所示“三明治”夹层结构层。

2、针刺结构纤维的制备处理，本实验中所用的纤维为日本东丽公司生产的ｐａｎ基碳纤维的3k斜纹炭布和网胎交替叠层，采用接力针刺的方法将网胎中的纤维垂直刺入炭布制成准三维结构预制体，预制体为密度0.50g/cm³。

将3k斜纹炭布和网胎碳纤维在丙酮溶液中超声清洗45min，去除表面污染物，然后烘干备用；将烘干的纤维在浓hno3（68%）溶液中进行刻蚀，即为粗化：将刻蚀后的碳纤维在配置好的敏化液溶液中敏化10min，将敏化液中还原剂矿csn²⁺附着在纤维表面，缓慢洗涤去除cl^-备用；

敏化液配置方法：称取sncl2·2h2o10g，盐酸15ml，去离子水400ml。

在去离子水中加入盐酸，此阶段需用玻璃棒不断搅拌，再讲sncl2·2h2o加入到

溶液中，持续搅拌直至均匀；随后将带有还原剂矿的纤维在活化液中活化5min，活化纤维表面，使其表面附着活性中心cag2

活化液配制方法：称取agno35g，氨水15ml，去离子水400ml。

首先在去离子水中加入agno3，不断搅拌至完全溶解，再将氨水加入到溶液中，此时溶液较为浑浊。等到溶液变为无色时反应终止。

最后将短切碳纤维清洗数次，在干燥箱中干燥备用。

3、以c3h6为气源，n2为稀释气体，采用化学气相渗透法（cvi）对预制体进行增密。将碳毡浸人酚醛树脂,放人自制的浸渍器里,抽真空后加压至2map，压20h,然后将试样取出放人烘箱中,在1100℃下固化10h最后将固化后的试样放人氖气保护的真空炉中碳化,碳化温度为1100℃。此过程重复6次,得到不同密度和气孔率的c/c多孔体。

4、高温熔渗发硬制备c/c-sic复合材料的工艺过程为：将c/c多孔体放入含有sic、和碳化硼化合物粉末的包埋粉料中，将式样及包埋分量置于真空环境石墨柑祸中，在氦气氛保护下的真空炉中进行熔融渗硅，在1800℃的条件下进行高温熔渗反应，保持温度30min，基体中引入sic和b4c，最终制得c/c-sic-b4c复合材料，使用针刺编织预制体和三维编织预制体的复合材料的密度分别为2.4g/cm³和2.1g/cm³。

5、防氧化涂层处理，本发明采用溶胶－凝胶法制备了硼硅玻璃防氧化涂层，当材料无涂层时，键槽氧化严重，带涂层时，无明显氧化，因此涂层提高了c/c-sic刹车材料的抗氧化性。

实施例3

1、预制体结构设计，采用“三明治”夹层结构的碳纤维预制体。“三明治”夹层结构的c/c复合材料由摩擦功能层和结构功能层组成。结构功能层是三维针刺结构，结构功能层位于材料的中间，摩擦功能层位于材料的外围，二者通过接力式针刺法连为一体。其中，结构功能层为典型的三维针刺结构，与三维针刺c纤维预制体的结构相同，摩擦功能层为纯胎网结构，如图1所示“三明治”夹层结构层。

2、针刺结构纤维的制备处理，本实验中所用的纤维为日本东丽公司生产的ｐａｎ基碳纤维的5k斜纹炭布和网胎交替叠层，采用接力针刺的方法将网胎中的纤维垂直刺入炭布制成准三维结构预制体，预制体为密度0.41g/cm³。

将3k斜纹炭布和网胎碳纤维在丙酮溶液中超声清洗50min，去除表面污染物，然后烘干备用；将烘干的纤维在浓hno3（68%）溶液中进行刻蚀，即为粗化：将刻蚀后的碳纤维在配置好的敏化液溶液中敏化10min，将敏化液中还原剂矿csn²⁺附着在纤维表面，缓慢洗涤去除cl^-备用；

敏化液配置方法：称取sncl2·2h2o15g，盐酸20ml，去离子水400ml。

在去离子水中加入盐酸，此阶段需用玻璃棒不断搅拌，再讲sncl2·2h2o加入到

溶液中，持续搅拌直至均匀；随后将带有还原剂矿的纤维在活化液中活化5min，活化纤维表面，使其表面附着活性中心cag2

活化液配制方法：称取agno310g，氨水20ml，去离子水400ml。

首先在去离子水中加入agno3，不断搅拌至完全溶解，再将氨水加入到溶液中，此时溶液较为浑浊。等到溶液变为无色时反应终止。

最后将短切碳纤维清洗数次，在干燥箱中干燥备用。

3、以c3h6为气源，n2为稀释气体，采用化学气相渗透法（cvi）对预制体进行增密。将碳毡浸人酚醛树脂,放人自制的浸渍器里,抽真空后加压至2map，压20h,然后将试样取出放人烘箱中,在1050℃下固化15h最后将固化后的试样放人氖气保护的真空炉中碳化,碳化温度为1050℃。此过程重复6次,得到不同密度和气孔率的c/c多孔体。

4、高温熔渗发硬制备c/c-sic复合材料的工艺过程为：将c/c多孔体放入含有sic、和碳化硼化合物粉末的包埋粉料中，将式样及包埋分量置于真空环境石墨柑祸中，在氦气氛保护下的真空炉中进行熔融渗硅，在2000℃的条件下进行高温熔渗反应，保持温度40min，基体中引入sic和b4c，最终制得c/c-sic-b4c复合材料，使用针刺编织预制体和三维编织预制体的复合材料的密度分别为2.4g/cm³和2.1g/cm³。

5、防氧化涂层处理，本发明采用溶胶－凝胶法制备了硼硅玻璃防氧化涂层，当材料无涂层时，键槽氧化严重，带涂层时，无明显氧化，因此涂层提高了c/c-sic刹车材料的抗氧化性。