[发明专利]一种具有自润滑和抗氧化功能的碳陶复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有自润滑和抗氧化功能的碳陶复合材料及其制备方法，本发明的碳陶复合材料为C/C‑TiC‑Ti₃SiC₂，其制备方法包括：(1)碳纤维预制体的制备和预处理；(2)碳纤维预制体碳纤维表面制备保护涂层；(3)将带有保护涂层的碳纤维预制体增密制得多孔C/C预制体；(4)将多孔C/C预制体高温热处理；(5)将Ti‑Si合金或Ti和Si的混合粉末与多孔C/C预制体一同高温热处理，制备得到C/C‑TiC‑Ti₃SiC₂碳陶复合材料。本发明制备方法操作简单，成本低，工艺周期短，制得的C/C‑TiC‑Ti₃SiC₂碳陶复合材料具有自润滑和抗氧化功能，耐磨损，且环保无污染。

技术领域

本发明涉及一种具有自润滑和抗氧化功能的碳陶复合材料及其制备方法，具体指一种碳纤维增强碳、碳化钛和Ti₃SiC₂基体碳陶复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

碳陶复合材料集碳纤维和陶瓷材料的优异性能于一体，具有密度低、强度高、耐磨损、抗氧化性能优异、抗热震性能好等优点，是一种理想的高性能摩擦制动材料，在航空、航天、高铁和汽车等工业的刹车制动系统中具有广阔的应用前景。碳纤维增强碳复合材料(C/C) 和碳纤维增强碳和碳化硅双基体碳陶复合材料(C/C-SiC)是碳陶摩擦制动材料的典型代表，目前已成功应用于汽车和飞机的刹车制动系统，与传统摩擦制动材料和粉末冶金摩擦制动材料相比，表现出十分优异的摩擦磨损性能。

C/C复合材料是目前应用最为广泛的一类碳基摩擦制动材料，其密度低、比热容大、耐热性好，在高负荷下仍能保持优良的摩擦性能，已经在航空飞机刹车副上获得了广泛的应用。然而，C/C复合材料的制备周期长、成本高、抗氧化性能较差，其在湿态下的摩擦因数也不稳定、对环境(干净、干燥)的要求较高，很难在使用环境差的交通工具上大规模应用。

C/C-SiC复合材料由C/C复合材料发展而来，结合了碳纤维和碳化硅陶瓷材料的优势，抗氧化性能较C/C复合材料显著提高，是一种强度高、热容量大、摩擦性能优异及抗氧化性能好的碳陶摩擦制动复合材料，其所制备的刹车片不但具有碳盘的一系列优点，而且解决了碳盘静摩擦系数低、湿态摩擦系数低和干湿态下摩擦系数差异大的不足，摩擦磨损性能更优，抗氧化性能更好。C/C-SiC复合材料的制备方法包括化学气相渗透法，先驱体浸渍裂解法和液硅浸渗法。其中化学气相渗透法和先驱体浸渍裂解法虽可制备出性能优异、可净近成形的部件，但制备周期长、成本高，不适合用于碳陶摩擦材料的制备。液硅浸渗法是C/C-SiC复合材料的高效率、低成本制备方法，但其制备的复合材料中含有一定量的残余硅，不但影响复合材料的耐高温性能，还对C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能不利。此外，C/C-SiC复合材料与钢盘对偶摩擦时，高速下其对钢盘的划伤损坏较为严重，摩擦磨损性能需要进一步优化提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种C/C-TiC-Ti₃SiC₂碳陶复合材料及其制备方法，使得制备周期短、成本低，并且制备得到的C/C-TiC-Ti₃SiC₂碳陶复合材料抗摩擦磨损性能好，具有自润滑和抗氧化功能。

本发明首先提供一种C/C-TiC-Ti₃SiC₂碳陶复合材料，包括碳纤维、碳纤维保护层、碳基体、TiC基体和Ti₃SiC₂基体；所述碳纤维保护层包覆在碳纤维表面，碳基体、TiC基体和Ti₃SiC₂基体层状分布于复合材料内部，所述TiC基体位于碳基体和Ti₃SiC₂基体之间。

本发明的C/C-TiC-Ti3SiC2碳陶复合材料各组分按照体积百分比计算分布如下：碳纤维15-50％，碳基体10-50％，TiC基体10-40％， Ti₃SiC₂基体1-40％。