[发明专利]一种复合结构摩擦材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种复合结构摩擦材料及其制备方法。本发明之复合结构摩擦材料，包括至少一个内部层组和至少一个外部层组，近摩擦面的部分为外部层组，远摩擦面的部分为内部层组，内部层组为碳纤维平直形连续增强结构层组，外部层组为碳纤维波纹形连续增强摩擦层组；内部层组和外部层组之间通过针刺碳纤维相连接。本发明还包括所述复合结构摩擦材料的制备方法。本发明所制备的摩擦材料采用内部层组为平直连续碳纤维增强结构、外部层组为梯度变化的连续波纹形碳纤维增强的结构，主承载作用和主摩擦作用的材料采用不同的结构，可同时保证摩擦材料优良的综合性能和摩擦性能。

技术领域

本发明涉及C/C-SiC摩擦材料技术领域，具体涉及一种复合结构的C/C-SiC摩擦材料及其制备方法。

背景技术

C/C-SiC摩擦材料相对于传统的金属和半金属摩擦材料，具有密度低、耐腐蚀性能好、摩擦系数稳定、耐磨损性能好等优点，是21世纪最具发展潜力的摩擦材料，其在飞机、赛车、重型机车、高速列车等刹车领域具有良好的应用前景。

根据增强碳纤维的长度不同，C/C-SiC摩擦材料一般分短纤增强和长纤增强两种，短纤C/C-SiC摩擦材料主要是将短碳纤维、石墨粉、酚醛树脂等原料混合后，经过模压固化、高温裂解，再渗硅处理得到。短纤C/C-SiC摩擦材料增强相为短碳纤维，制作过程中有诸多弊端：(1)短碳纤维难以分散均匀，导致制备的C/C-SiC摩擦材料存在成分不均匀的问题；(2)短纤C/C-SiC摩擦材料通过模压固化工艺制作，高温裂解后形成的裂解碳存在于碳纤维缝隙中，并未对碳纤维形成完整包裹，使得渗硅工艺中熔融硅易侵蚀碳纤维而导致摩擦材料力学性能降低；(3)短纤C/C-SiC摩擦材料碳纤维的体积百分含量较低，力学性能较低；(4)短纤C/C-SiC摩擦材料中碳纤维呈不连续状态，导热性能较低。因此，短纤C/C-SiC摩擦材料制作的刹车盘强度较低，力学性能不足，导热性能低，刹车过程中摩擦性能不稳定，且容易出现掉块的现象，综合性能不及长纤C/C-SiC摩擦材料。长纤C/C-SiC摩擦材料一般是通过无纬布、网胎反复叠层、三维针刺形成预制体，再通过CVI(化学气相渗透，一种常用的化学气相沉积法)工艺进行碳增密，最后熔融渗硅得到。长纤C/C-SiC摩擦材料增强相为长碳纤维，与短纤C/C-SiC摩擦材料相比，连续而密集的长碳纤维使C/C-SiC摩擦材料具有更高的强度和导热系数。通常长纤C/C-SiC摩擦材料为片层状结构，平面无纬布和平面网胎在Z轴方向(厚度方向)通过针刺结合在一起，由于针刺密度有限，片层状结构的长纤C/C-SiC摩擦材料层间剪切强度及Z向(厚度方向)导热能力相对较差。用片层状结构长纤C/C-SiC摩擦材料制备的刹车盘摩擦面在Z向(厚度方向)为无纬布和网胎交替结构，在摩擦磨损的进程中，摩擦面有时主要为无纬布结构，有时主要为网胎结构，使得摩擦过程中摩擦系数不稳定。

CN103009497A提出了一种波纹碳纤维预制体的制备方法和包含它的碳-碳复合材料，所采取的方法是在液体载体(如水、醇、熔融沥青)中混合碳纤维并沉积形成碳纤维层，后通过压槽、折皱或折叠的方式形成波纹状碳纤维层。波纹状碳纤维能有效改善层间剪切性能和Z向(厚度方向)导热性，但由于其所采用的是短碳纤维，制作摩擦材料时碳纤维含量低，力学性能和导热性能较差，并不适宜于制作刹车材料。

CN110345183A提出了一种“三明治”结构的C/C-SiC摩擦材料，摩擦材料由外层摩擦功能层和内层结构功能层组成。外层的摩擦功能层由纯网胎网结构成，虽然解决了成分不均引起的摩擦系数不稳定的问题，但是由于摩擦功能层和结构功能层结构差异较大，热膨胀系数差异大，界面结合力弱，升温和降温过程中均有可能引起材料的开裂和脱层，制作刹车片时结构稳定性差。同时摩擦层主要为纯网胎结构，实质上主摩擦作用的材料仍然属于短纤维增强的C/C-SiC摩擦材料，其力学性能和导热性能均较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，尤其是克服现有技术的摩擦材料力学性能、导热性能、层间剪切性能较差的不足，提供一种导热性能、层间剪切性能、综合性能较好的复合结构摩擦材料。