[发明专利]一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法

说明书

技术领域：

本发明公开了一种炭/陶摩擦材料的制备方法，具体地说是一种铜硅合金改性炭/陶摩擦 材料及制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

炭纤维增强炭基和陶瓷基(简称为炭/陶，具体到本发明即C/C-SiC)摩擦材料是继粉末 冶金和炭/炭复合材料之后，于20世纪90年代中期发展起来的一种高性能摩擦材料。与传统 金属和半金属摩擦材料相比，C/C-SiC摩擦材料具有密度低(约为2.0g/cm³)、耐腐蚀、制动 平稳、摩擦系数高、环境适应性强等优点；与炭/炭复合材料相比，由于C/C-SiC材料中引入 SiC陶瓷硬质相作为基体，不仅有效提高了材料的抗氧化性和摩擦系数，而且显著改善了摩 擦性能对外界环境介质(潮气、霉菌和油污等)的稳定性，是一种有着广阔应用前景的摩擦材 料，可应用于航空航天、车辆工程、机械工程等领域。

随着科学技术的发展，人们对工业机械的速度和能载水平的要求越来越高，即工业机械 的动能在不断增加。摩擦是将动能通过摩擦材料转化为热能的过程，一般将摩擦材料所转化 的能量称为能载。动能增大导致摩擦过程中产生的热量随之增加，摩擦表面的温度也就越高 。在能载低于某一临界值时，材料的摩擦系数能维持在比较稳定的状态。当能量密度超过临 界值时，摩擦面会出现局部过热现象并产生过热点，从而导致摩擦系数不稳定。在材料体系 确定的情况下，提高垂直于摩擦面的导热系数，是改善摩擦系数稳定性的有效方法之一。

针对C/C-SiC摩擦材料，提高其垂直于摩擦面的导热系数的主要措施有：(1)使用热导 率高的炭纤维(如沥青基炭纤维)；(2)增加纤维与摩擦面之间的夹角；(3)增加 C/C-SiC材料中基体的含量；(4)引入高导热金属元素或者基体合金化。上述措施中，通过 使用高导热的纤维来提高材料的导热系数，会导致材料制造成本大幅度增加。增加纤维与摩 擦面之间的夹角，可以通过纤维预制体的设计得以实现，但是其提升的空间有限。增加材料 中基体含量会导致纤维体积含量降低，导致材料的强度和断裂韧性下降。相比之下，在材料 中引入高导热的金属元素或者基体合金化是一个能通过工艺调整的方法。

因此，在综合考虑材料制造成本、工艺性、导热性能、力学性能和摩擦磨损性能之间合 理匹配的前提下，在C/C-SiC材料体系中引入铜硅合金。铜具有很高的导电性(室温下电阻 率为1.63x10^-8Ωm)、导热性(室温下导热系数为380Wm^-1k^-1)、耐蚀性和优良的工艺性 能，作为导电、导热功能材料广泛应用于工业生产。高温下Cu与炭材料既不润湿也不发生反 应。从Si-Cu二元相图可知，Si和Cu在200℃便开始反应，Cu₃Si是Cu和Si反应生成的第一相 ，并且它也是最富含Si的铜硅金属间化合物。

中南大学冉丽萍等发明的“炭纤维整体织物/炭-铜复合材料及制备方法”(申请号： 200710034992.X)是以炭纤维整体织物增密制备得到，是以多孔炭坯为预制体，通过Ti改善 炭和铜的润湿性，采用包埋法在预制体的孔隙中渗入铜。与本发明的不同之处主要在于材料 体系、技术手段和发明目的不同，本发明是炭/炭-碳化硅材料体系(即炭纤维增强炭基体和 碳化硅基体，铜硅合金只是一种性能调节组元)，采用非浸泡式熔融浸渗的方法制得材料， 通过铜硅合金来提高材料的导热性能。而冉丽萍等的发明是炭/炭-铜复合材料体系(即炭纤 维增强炭基体和铜基体)，采用浸泡式(即包埋法)的工艺制得材料，通过铜来提高材料的 导电性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产工艺简单易控，制备成本低，制备的材料微观结构和性 能可控、在保持材料优异摩擦磨损性能、高强度、耐高温和耐腐蚀性的同时，导热性能优异 的铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法。所制造的铜硅合金改性炭/陶摩擦材料具有较高 的导热性能和良好的摩擦磨损性能。

本发明一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法，包括下列步骤：

第一步：炭纤维预制体高温热处理

将密度为0.1～0.65g/cm³的针刺炭纤维整体毡为预制体，在1500～2300℃进行高温热处 理，缓解炭纤维预制体在编织过程中产生的应力，并去除炭纤维束表面的胶及编织过程中引 入的有机纤维丝；

第二步：炭纤维预制体致密化