[发明专利]碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于制动盘制造技术领域，尤其与一种用于公路车辆的Al/SiC_foam（即碳化硅泡沫陶瓷/铝合金）复合材料制动盘及其制备方法有关。

背景技术

随着能源紧缺及车辆速度的不断提高，以节能、减重为目的的车辆轻量化技术开发备受关注｡目前绝大多数的汽车制动盘(鼓)材料仍采用铸铁或铸钢，其主要缺陷是密度大，不利于减轻车重；导热性差，造成制动时摩擦表面温升过高；温度梯度大，易形成热斑、产生热裂纹；凡此种种均为影响行车安全、增加油耗及缩短制动盘寿命的不利因素｡与传统钢铁材料相比，铝基陶瓷复合材料因质量轻且具有较高的比强度､比刚度及良好的热稳定性和耐磨性等特点，引起了各国摩擦材料领域深入开展铝基陶瓷复合材料汽车制动盘研发的浓厚兴趣。但这些研究和发明都集中于利用颗粒、晶须、纤维及空间非连续结构等物相增强铝合金复合材料上。近年来，将颗粒、晶须、纤维及空间非连续结构等物相用做铝基复合材料增强相生产汽车制动盘的报道很多，如专利Patent US5765667，专利Patent US6536564，专利Patent US6585089，专利CN03127145，专利CN 200610137913，专利CN 201220269503，专利CN201310593025.2，专利CN 201310008726.5，专利CN201310008715.7等｡然而这些专利所述的方法在不同程度存在着以下缺点：在制备复合材料过程中颗粒和晶须容易团聚；连续或非连续纤维增强体与基体合金材料的比重、润湿等物理、化学参数差别较大，难以与基体合金材料均匀融合在一起；采用激光熔覆，离子喷涂等工艺难以在铝基制动盘表面制备出厚度5~10mm的摩擦层，严重影响制动盘的力学性能和使用。

为了克服这些专利所述方法的缺点，人们发明了一种三维网络结构的（three dimensional network structure reinforced metal matrix composites）泡沫陶瓷增强金属基复合材料(3DNSRMMCs)。这种复合材料具有特殊的拓扑几何特性，增强相和基体相互缠结和盘绕，相互贯穿、复合成既完整统一又相对独立的新型材料，并且在陶瓷和金属界面形成过渡层。3DNSRMMCs具有质量轻、比模量高、比强度高、耐疲劳、抗热震性优良、热胀系数低等优点，在航空航天、交通、机械制造等工业领域，特别是在摩擦材料领域展示了广泛的应用前景。文献分析表明，泡沫结构增强体制备方法很多，有发泡法、溶胶-凝胶法、自蔓延高温合成法和有机前驱体烧蚀-烧结法等。其中有机前驱体烧蚀-烧结法是制备泡沫结构增强体最简便而有效的方法。同时，制备3DNSRMMCs复合材料的方法很多，有粉末冶金法(PM)、搅拌铸造法(SC)、原位反应法(In situ)、高温自蔓延法(SHS)、热扩散反应法(XDTM)和熔体浸渗法(MITM)等等。而熔体浸渗技术是制备高体积分数3DNSRMMCs复合材料的主要方法之一。根据熔体浸渗动力的不同，熔体浸渗技术又分为3类:即压力浸渗技术(PIM)、真空浸渗技术(VDI)及无压浸渗技术(PRIMEXTM)。总的来说，目前制备3DNSRMMCs复合材料主要存在以下3个问题：（1）增强体与铝合金这两相既不应各自完全独立而降低相互之间的作用力，又不能发生完全的化学反应，恶化增强效果，因此需要对泡沫结构增强体表面进行修饰以获得最佳的复合界面显微结构，而现有研究普遍缺少对其表面进行预处理的研究；（2）真空浸渗、压力浸渗技术生产成本过高，工艺、装备复杂，难以制备优质的大尺寸铸件，实现低成本工业化生产；（3）无压浸渗技术因压力不足难以克服泡沫陶瓷骨架的表面张力而不能制备出优质的大尺寸铸件，或产品中含有大量的缩松、缩孔、疏松、冷隔和浇不足等铸造缺陷。

发明内容

本发明针对公路车辆用铸钢、铸铁制动盘质量大、导热性差、抗热疲劳性能差、寿命短等缺点，提供了一种质量小、生产周期短、散热快、热稳定性好、制动平稳、噪音低、服役寿命长、变形小、拆卸方便的各种高速、重载公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘及制备方法。