[发明专利]刹车和离合器片的改进

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造刹车和离合器片的方法，例如用于陆地机动车辆或航空器，以及 涉及其所获得的新刹车和离合器片。特别地，本发明涉及包含碳纤维增强陶瓷材料的刹车 和离合器片，该刹车和离合器片可以的获得方式是：利用化学气相渗透(chemical vapour infiltration)在增强碳纤维的周围形成碳基体，用熔融硅浸渍碳基体，之后使硅化处理后的 产品进入渗碳阶段。

背景技术

碳纤维增强陶瓷刹车片的使用受到广泛关注，尤其是硅化的碳-碳纤维复合材料，因为 它们具有高强度，在高工作温度下能维持良好的物理和摩擦特性，以及与金属片相比重量 较低，例如相对于标准的铸铁片重量降低50-70％。这种重量的降低对于改善性能和节约燃 料非常重要；通过降低车辆的非弹簧承载重量，也可以提高车辆行驶性能、操作性能以及 舒适性。机动车也同样可以从离合器片使用低重量高摩擦材料中受益。

现有的可以买到的硅化碳纤维增强陶瓷刹车片主要是“树脂碳化”方法，在该方法中， 增强碳纤维和可碳化树脂(例如沥青或酚醛树脂)通过热模塑在一起获得所需形状，所获 得的模制预制品进行碳化(例如在惰性气氛或真空中加热至摄氏1000℃)，并可以选择石 墨化(例如，加热到＞2000℃)。所获得的坯体随后可以成形和/或连接在一起，以及可以 进行硅化处理，例如至少部分浸入熔融的硅浴里，或者热等静压处理，在真空容器中用过 量硅进行封装，之后在高温和等静压中处理。

树脂碳化程序的优点在于操作相对简单，但是也存在很多缺点。因此，模具通常填充 有随机定向的纤维，典型地的平均长度少于30mm，更通常地为少于25mm。纤维可以从 预先浸渍了树脂的碳纤维的火柴杆状材料砍得，例如使用毡制品，其中树脂分别注入模具 中。短纤维的无规则取向最好能限制利用树脂碳化程序所获得的产品的再现性。

另一个缺点是，树脂可能收缩，并在碳化过程中碳纤维暴露在外面。这些暴露纤维的 完整性可能在接下来的硅化步骤中与硅反应而遭到破坏。需要用到模具也使程序上有限 制，因为产品形状的任何改变将必然导致昂贵的重新加工费用。

现有技术中，可以采用化学气相渗透来代替树脂碳化来形成碳-碳纤维复合材料，虽然 通常被认为对于特别用途例如航空器的碳-碳纤维复合刹车片，过于复杂且昂贵。这些刹车 片的制造通常包括生成最初的碳纤维预制品，该预制品随后进入化学气相渗透步骤，例如 采用甲烷作为热解碳源。需要一系列的步骤，因为沉积碳容易堵塞增强纤维之间的小孔， 并从而阻碍碳的吸附。通常在10-14天后出现初始饱和；此时，预制品的密度大约为0.9-1.6 g/cm³，且将没有足够的强度或完整性来作为刹车片。因此，通常做法是从炉中去除部分致 密化的预制品，并加工其表面以重新打开被阻塞的小孔，之后继续化学气相渗透。通常需 要至少还有一个加工步骤和第三个化学气相渗透步骤，以获得具有密度约1.7-1.9g/cm³的 刹车片；总共处理时间通常大约为150天。美国专利号6,878,331证明了化学气相渗透通 常需要重复三次至五次，以获得所需的密度。

这样获得的刹车片没有硅化，且能作为航空器刹车器。尽管如此，它们不适合用于陆 上车辆，因为其在室温下的摩擦性能较差，并不能用于提供突然的轻度刹车。

迄今为止，已经有想法认为即使化学气相渗透产生的刹车片随后将进行硅化，也需要 至少两个化学气相渗透步骤。因此，美国专利号6,030,913中描述了如果每个过程只使用 一次化学气相渗透，那么在沉积的高温碳层有微裂纹，并允许了在硅化过程中不想要的硅 的渗透。可见，为了克服这个问题的多级渗透是相当昂贵的。

同时，美国专利号6,110,535描述了一种用于将熔融硅成分渗入碳复合材料的多孔基 体的技术，该多孔基体通过利用化学气相渗透的致密作用来获得，这通常是两级致密化过 程的第一步，并接着是树脂碳化致密化，从而在化学气相渗透之后在小孔中形成焦炭颗粒。

另外一种获得碳-碳纤维复合材料的途径是，润湿单体渗透方法(wetting monomer infiltration)，如WO-A-9964361和美国专利号6,756,112所描述。在该方法中，碳纤维预 制品浸渍在一种或多种单体中，例如多环芳烃如萘，并优选有聚合催化剂例如路易斯酸 (Lewis acid)。浸渍后的预制品之后被加热，以促进单体的聚合，所获得的聚合体随后进 一步被加热碳化。