[发明专利]炭纤维增强炭-碳化硅双基体摩擦材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种炭纤维增强炭-碳化硅双基体(C/C-SiC)摩擦材 料的制备方法，具体说是“温压-炭化-熔硅浸渗”工艺，该工艺可 用来制备高性能C/C-SiC摩擦材料。

背景技术

炭纤维增强炭-碳化硅双基体(C/C-SiC)复合材料是二十世纪末 发展起来的新一代高性能摩擦材料。具有密度低、抗氧化、耐腐蚀、 摩擦系数高而且稳定，磨损小，制动比压大，制动系统体积小和导热 性好等一系列优异性能，尤其能克服C/C制动材料静态和湿态摩擦系 数低的缺点，能保障动力机械在高速度、大功率时的制动安全性，能 大幅度提高制动效率及摩擦材料的使用寿命。因此，C/C-SiC材料被 公认为是极具竞争力的新一代摩擦材料，在高速列车、汽车、飞机等 领域具有广泛应用前景，我国和德国、美国等均陆续展开了相关研究。

研究报道的C/C-SiC摩擦材料制备方法主要包括化学气相渗透与 熔硅浸渗的结合工艺，聚炭硅烷转化和熔硅浸渗的结合工艺，以及温 压-原位反应法等。化学气相渗透法是制备纤维增强陶瓷基复合材料 最有前途的方法之一，其显著特点是能在较低的温度进行陶瓷基复合 材料的制备，但制备厚壁部件易产生“瓶颈”效应，材料内部产生较 大的密度梯度，工艺制备周期长、成本高。聚炭硅烷转化法不需要特 殊的设备，工艺较简单，但采用此方法得到的为无定型基体，材料性 能较差。熔硅浸渗法制备周期短、成本低，但浸渗过程中熔硅易与炭 纤维反应对其造成损伤，导致力学性能较低，因此一般首先采用其它 方法对材料中炭纤维制备保护层后再采用熔硅浸渗法制备碳化硅基 体。温压-原位反应法制备周期短，成本低，制备的C/C-SiC摩擦材 料摩擦系数高，但材料致密度较低，力学性能较低、韧性较差。

中南大学肖鹏等发明的“一种炭/炭-碳化硅陶瓷制动衬片的制 造工艺”获得了国防发明专利(专利号：ZL200510000623.X)，主 要是以短炭纤维、树脂、工业硅粉和石墨粉为原材料，采用温压-原 位反应法制造炭/炭-碳化硅陶瓷制动衬片。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备周期短、成本低、可 工程化且所制备的复合材料具有较高的力学性能和优异的摩擦磨损 性能的炭纤维增强炭-碳化硅双基体摩擦材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的炭纤维增强炭-碳化硅 双基体摩擦材料的制备方法，采用短切炭纤维、石墨粉、工业硅粉和 粘结剂冷压成炭纤维增强石墨粉和硅粉的(C/C-Si)块体材料，将制 得的C/C-Si块体材料进行机械破碎并且造粒，然后将颗粒温压成 C/C-Si素坯，将C/C-Si素坯炭化制得C/C-Si多孔体，最后对C/C-Si 多孔体进行非浸泡式定向熔硅浸渗制得炭纤维增强炭-碳化硅双基体 (C/C-SiC)材料，该方法包括下列步骤：

(1)冷压

采用长度为2～15mm的短炭纤维为增强体，以粒度分别为 0.075～0.30mm和0.01～0.1mm的石墨粉和工业硅粉为填充剂(也可 以不添加工业硅粉，而通过延长后续熔硅浸渗的时间补充)，以粒度 为0.01～0.50mm树脂粉(可以是酚醛树脂、呋喃树脂和环氧树脂中 的一种或者混合物)或沥青粉为粘结剂，将其按一定配比(体积含量 分别为10～18％炭纤维、30～45％石墨粉、0～10％的硅粉和25～40％酚 醛树脂粉)的原材料混合后在常温下冷压成密度为1.10～1.50g/cm³的C/C-Si块体材料，冷压压力为2.0～5.0Mpa，保压时间为5～20min；

(2)破碎造粒

将制得的C/C-Si块体材料进行机械破碎并且造粒，要求最终的 C/C-Si颗粒粒径在5～15mm之间的占70～80％，同时颗粒外观呈不规 则形状；

(3)预热

将破碎制得的C/C-Si颗粒均匀铺平后在烘箱中进行80～150℃ 预热，同时使粘结剂发生部分分解，保温时间为0.5～1.5h；

(4)温压

将预热后的颗粒装入模具温压成密度为1.0～1.70g/cm³的 C/C-Si素坯，压制压力为2.0～10.0Mpa、温度为150～200℃、保压 时间为20～50min；

(5)固化