[发明专利]高性能低成本C/C-SiC复合材料制动盘及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种高性能低成本C/C-SiC复合材料制动盘及其制备方法与应用。

背景技术

高速铁路(以下称“高铁”)是世界轨道交通发展的潮流，目前我国高铁投入运营的里程已达到10000公里，正在建设中的高速铁路10000多公里，预计到2021年中国高铁总里程将超过30000公里，居世界第一。高铁快速发展的同时，其安全性也备受瞩目，其中制动技术对于列车安全运行至关重要。目前，高铁采用的制动方式主要包括电制动和空气制动，此外还有涡流制动、磁轨制动和风阻制动等制动方式。其中空气制动作为一种紧急制动手段，当高速列车遭遇地震、停电或列车故障等紧急情况时，必须确保高速的列车能够在规定的距离之内停车，保证列车运行的安全，因此空气制动又称“基础制动”，是高铁制动系统中不可或缺的重要组成部分。

空气制动主要采用轴盘制动和轮盘制动两种盘形制动方式，其区别主要在于轴盘制动是在车轴上安装制动盘，而轮盘制动是在车轮辐板侧面安装制动盘。当前制动盘材料主要以铸铁、铸钢和锻钢为主，其优点主要是制造技术成熟，性能可以满足速度较低列车的制动要求。然而随着列车不断向“高速化”和“重载化”方向发展，对制动盘提出了既具有较高制动能量又要有较轻质量的要求，但是现有制动盘材料耐磨性差，磨损较快，散热效果不佳，容易产生热裂纹，重量较重，摩擦产生较大的噪音，因而不能很好的满足列车速度需要不断提高的发展需求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种高性能低成本C/C-SiC复合材料制动盘及其制备方法与应用，以降低制备成本，提高制动盘的力学性能、导热性能和摩擦磨损性能。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种复合材料制动盘的制备方法，包括如下步骤：

S1:将制动盘预制体碳化，然后采用化学气相渗积法将碳化后的制动盘预制体致密化，得到C/C复合材料；其中，制动盘预制体是采用聚丙烯腈基预氧丝纤维以三维针刺而成；S2:将C/C复合材料在惰性气氛中进行热处理，得到C/C复合材料坯体；S3:利用熔融渗硅法处理C/C复合材料坯体，得到C/C-SiC复合材料制动盘；S4:将C/C-SiC复合材料制动盘利用化学气相渗积法或先驱体浸渍裂解法进行处理；其中，化学气相渗积法的先驱体为三氯甲基硅烷，先驱体浸渍裂解法的先驱体溶液为聚碳硅烷与二乙烯基苯的混合溶液；S5:将步骤S4得到的产品机械加工成最终的设计尺寸，即得复合材料制动盘成品。

需要说明的是，三维针刺法是将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布和胎网依次循环叠加，然后采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入聚丙烯腈基预氧丝纤维，制成制动盘预制体。在步骤S3的熔融渗硅过程中，熔硅与基体C反应生成碳化硅，冷却至室温后体积收缩导致微裂纹的产生；复合材料在熔融渗硅的高温逐渐冷却至室温的过程中，由于复合材料中纤维、热解碳、碳化硅和残余硅的热膨胀系数存在差异，使得冷却过程中产生应力，在应力的作用下产生微裂纹。步骤S4是为了填封C/C-SiC复合材料制动盘的裂纹，降低复合材料中Si的残余量，提高复合材料的抗蠕变性能。

在本发明的进一步实施方式中，步骤S1中，化学气相渗积法具体为：以丙烷、天然气和丙烯中的一种或几种为碳源气体，氮气和/或氢气为稀释气体，渗积温度为900～1200℃，渗积压力为1000～5000Pa，渗积时间为50～200h；其中，碳源气体和稀释气体的体积比为1:(1～4)。

在本发明的进一步实施方式中，步骤S2中，热处理的处理温度为1800～2400℃，处理时间1～5h，惰性气氛为氩气和/或氮气。热处理是为了提高复合材料的石墨化程度。

在本发明的进一步实施方式中，步骤S3中，熔融渗硅法具体为：在真空条件下，将C/C复合材料坯体置于粒径为100～300目的硅粉中，然后1500～1700℃保温1.5～3.5h，再1750～2050℃保温5～60min。