[发明专利]一种用于高速列车刹车盘的陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料领域，尤其涉及一种用于高速列车刹车盘的陶瓷基复合材料及其制备方法。

技术背景

刹车盘是机动车辆制动系统的A类关键零部件，其性能的好坏直接关系到机动车运行的安全性和可靠性。碳/碳(C/C)复合材料刹车盘具有耐腐蚀、耐磨损、抗氧化、摩擦系数高等一系列优良性能，但是由于C/C复合材料在实际应用中所承受的严重热震，使得C/C复合材料易开裂，且极易损伤C纤维，严重影响其力学性能。为了防止C纤维不受损伤，保证复合材料的强度不下降，现有技术中通常在C纤维编织体上制备C/C骨架，这对C纤维起到保护作用。同时在C/C骨架上化学气相沉积SiC，以缓解因为热震而带来的热应力。然而，用于高速列车刹车盘的C/SiC(碳纤维增强碳化砖)陶瓷基复合材料的综合性能依然有待进一步提高。

研究发现，通过掺杂难熔金属碳化物及硼化物，同时创新制备工艺，可在不破坏C纤维的情况下制备出耐超高温、耐氧化、抗热震的高性能陶瓷基复合材料，以满足高速列车刹车盘的综合性能要求。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术的缺陷，提供了一种用于高速列车刹车盘的陶瓷基复合材料及其制备方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种用于高速列车刹车盘的陶瓷基复合材料，由C纤维、C基体、HfC基体和ZrB₂基体组成，其特征在于：所述C纤维所占的体积分数为32～62％，C基体所占的体积分数为12～22％，HfC基体所占的体积分数为4～12％，ZrB₂基体所占的体积分数为10～34％。

进一步的，所述C纤维所占的体积分数为47～62％；所述C基体所占的体积分数为12～16％；所述HfC基体所占的体积分数为4～9％；所述ZrB₂基体所占的体积分数为22～28％。

进一步的，所述C纤维所占的体积分数为47％；所述C基体所占的体积分数为16％；所述HfC基体所占的体积分数为9％；所述ZrB₂基体所占的体积分数为28％。

本发明还提供了一用于高速列车刹车盘的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：

(1)以针刺毡作为纤维预制体，C纤维所占的体积分数为32～62％；

(2)采用CVI工艺，以烷烃为先驱体，氮气为稀释气体，制备出C/C复合材料坯体，温度1500～2500℃；

(3)将表面活性剂改性的HfO₂微粉分散于酚醛树脂中，形成悬浊液，将C/C复合材料坯体浸渍于所述悬浊液中，在氢气气氛下，加热至1900～2300℃，反应生成HfC，从而形成C/C-HfC基体；

(5)将无水乙醇、硼酸三正丁脂、乙酸按1∶3∶3的比例混合得到稳定的前驱体溶胶，将ZrB₂微粉按质量分数10％加入到前驱体中，充分搅拌使其形成稳定的悬浮液，再将其倒入水热釜中；将所述C/C-HfC基体放入水热釜中，使其完全浸渍，放入恒温烘箱中，100-180℃下保温20-30小时。待保温结束，自然冷却至室温，用乙醇清洗表面，然后置于马弗炉中350-500℃保温下2-3小时，将ZrB₂引入C/C-HfC基体表面，形成C/C-HfC-ZrB₂复合材料预置体；

(6)在1500～1800℃下对所述C/C-HfC-ZrB₂复合材料预置体进行高温致密化处理，得到C/C-HfC-ZrB₂陶瓷基复合材料。

进一步的，步骤(1)中所述针刺毡采用T700-12K无纬布及T700-12K网胎制成。

进一步的，步骤(2)中所述烷烃为聚碳硅烷。

进一步的，步骤(3)中所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。

目前，将高温合金元素引入到C/C复合材料中的方法主要有溶液浸渍法、直接浸渗微粉法、陶瓷浆料涂刷粉末法等。采用溶液浸渍转化效率很低，并且存在腐蚀设备等缺点；直接浸渗微粉法和浆料涂刷法是较为经济的方法，但是由于合金元素化合物微粉的密度较大，料浆的悬浮性及浸渗均匀性难以保证。

本发明综合利用CVI法、热解法及溶剂热法制备C/C-HfC-ZrB₂复合材料，具有以下优点：