一种具有高摩擦性能的C/SiC陶瓷基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种具有高摩擦性能的C/SiC陶瓷基复合材料及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)碳纤维预制体的编织与高温热处理；(2)利用CVI在上述碳纤维预制体的碳纤维表面制备具有不同物理性能的热解碳层，得到C/C坯体；(3)将所述C/C坯体进行树脂压力浸渍

【技术实现步骤摘要】
一种具有高摩擦性能的C/SiC陶瓷基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料
，特别涉及一种具有高摩擦性能的C/SiC陶瓷基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]刹车盘是飞机安全起降的关键性制动部件,C/C复合材料是目前飞机广泛应用的刹车材料。虽然C/C刹车材料在飞机上有着广泛的应用，但是在空气中温度超过450℃时明显地被氧化。由予氧化会导致C/C复合材料材质疏松、金属机械加工件和传动齿部位松动、摩擦磨损性能和热物理性能降低，造成刹车失效甚至发生灾难性事故。虽已开发出基体抗氧化工艺用于C/C刹车盘的防氧化保护，但其防氧化效果很有限，而且影响基体的摩擦磨损性能。C/C刹车材料还存在静态和湿态摩擦系数低(湿态相对干态衰减约50％)，潮湿环境下易导致制动失效，生产周期长(约1000～1200h)及生产成本高等诸多缺点，制约了其进一步发展及应用。
[0003]碳纤维增强陶瓷基复合材料简称碳陶(C/C
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SiC)复合材料，是继半金属刹车材料、粉末冶金刹车材料、C/C复合材料之后的第四代高性能刹车材料。是一种碳纤维增强碳基和陶瓷基双基体先进复合材料，具有密度低、抗氧化、耐腐蚀、摩擦系数高且稳定、使用寿命长、对环境适应性强等一系列C/C复合材料所不具有的优异性能。C/C
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SiC复合材料具有克服C/C复合材料缺点的潜力，C/C
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SiC复合材料静态、动态摩擦系数均高于C/C复合材料，磨损率相当或优于C/C复合材料。不仅有效提高了材料的抗氧化性和摩擦系数，且在高速高能制动环境下,C/C
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SiC复合材料对裂纹不敏感,不会发生灾难性破坏,具有较高的安全系数；同时显著改善了摩擦性能对外界环境介质(潮气、霉菌和油污等)的稳定性和安全可靠性。碳/陶刹车材料在航空制动领域的快速推广得益于其不仅包含与C/C复合材料共有的低密度、高比热容、高温力学性能好、摩擦系数稳定等诸多优势，并且表现出低磨损率、低湿态衰减、高抗冲击性等C/C复合材料所不具备而对航空制动领域至关重要的多项特殊性能。已成为一种轻量化、高制动效能和全环境适用的新型刹车材料,因此,C/C
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SiC复合材料在新一代飞机刹车材料领域具有广阔的应用前景。
[0004]碳陶飞机刹车材料制备方法主要有先驱体浸渍裂解法(PIP)和反应熔体渗硅工艺法(RMI)两种。PIP热解过程中产生裂纹和空洞，基体体积收缩较大，导致材料很难致密(最终材料往往存有15％～20％的残余孔隙)；PIP工艺制备的碳化硅为纳米级，其摩擦系数偏低，湿态衰减较大，不适合应用于高能载刹车材料。RMI工艺是用熔融Si对C/C多孔坯体进行浸渗处理，使熔融Si与热解碳或碳纤维相接触并发生反应，生成SiC基体。与其它工艺相比，RMI工艺具有制备周期短、生产成本低、残余孔隙率低(2％～5％)、制备的三维针刺C/C
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SiC复合材料在刹车应用上具有巨大优势。然而，液态硅与部分碳纤维反应并形成成过强界面，造成材料强度损伤，使得材料的力学性能较低、断裂韧性较差。在高能载刹车过程中，刹车材料摩擦表面的温度可达1200℃，导致摩擦性能不稳定甚至失效；同时该材料中存在部分残留Si易引起粘着磨损，力矩峰值过高，甚至粘盘事故，极有可能导致飞机刹车过程中噪音
过大，机轮异常抖动、减速率波动等后果。严重影响安全。
[0005]目前，国内这两种制备方法均以化学气相沉积(CVI)热解碳为基体碳的C/C复合材料作为坯体进行陶瓷化改性。在制备过程中，热解碳基体的分布均匀性很难控制，且密度越高，不均匀性梯度越大。在反应渗硅工艺中，由于需消耗部分碳，要求C/C坯体密度较高，且坯体中的大孔中填充的大量液态硅与碳又不能完全反应，导致硅的残余量高，制备的碳陶刹车材料内部与表面微观结构和组分有较大差异，且在融渗过程中，液态硅与部分碳纤维反应，造成材料强度损伤。
[0006]采用任何单一制备方法所得到的C/C
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SiC复合材料都存在明显的缺陷,有一定的局限性，可综合利用不同制备工艺的优点，采用两种或两种以上的复合制备工艺，优化C/C
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SiC材料的性能。

技术实现思路

[0007]为解决上述问题，本专利技术提供了一种具有高摩擦性能的C/SiC陶瓷基复合材料及其制备方法，通过采用不同CVI参数工艺，制备具有不同物理性能的热解碳层，以增强对碳纤维预制体的保护，另一方面热解碳可以与树脂压力浸渍
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固化和高温碳化致密化的碳产生良好的连接。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0009]一方面，本专利技术提供一种具有高摩擦性能的C/SiC陶瓷基复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)碳纤维预制体的编织与高温热处理；(2)利用CVI在上述碳纤维预制体的碳纤维表面制备具有不同物理性能的热解碳层，得到C/C坯体；(3)将所述C/C坯体进行树脂压力浸渍
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固化和高温碳化致密化，并进行高温石墨化处理得到C/C多孔坯体；(4)将所述C/C多孔坯体置于真空感应高温炉中进行RMI工艺硅化处理，随后进行除硅处理，得到C/SiC陶瓷基复合材料初料；(5)对所述C/SiC陶瓷基复合材料初料进行聚碳硅烷陶瓷前躯体压力浸渍
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固化和高温裂解陶瓷化处理，即得。
[0010]进一步地，所述步骤(1)中采用T700
‑
12K无捻碳纤维无纬布和碳纤维网胎通过针刺正交编织工艺制作碳纤维预制体，无捻碳纤维无纬布(80
±
2)wt％，碳纤维网胎(20
±
2)wt％；密度为(0.6
±
0.02)g/cm3。
[0011]进一步地，所述步骤(2)中，越靠近所述碳纤维表面，所述热解碳层密度越高。
[0012]进一步地，所述步骤(2)中，所述步骤(2)中，包括第一次CVI和第二次CVI，所述第一次CVI和第二次CVI均在等温化学气相沉积炉中进行热解碳致密化；所述第一次CVI沉积温度(1050
±
5)℃，天然气与丙烷流量之比的范围在(3
‑
6)：1之间，炉膛压力(1.0
‑
2.0)kPa，沉积时间为100
‑
120h，密度控制在1.0～1.1g/cm3，第一次CVI完成后进行高温石墨化处理；所述第二次CVI沉积温度：(1100
±
5)℃，天然气与丙烷流量之比的范围在(1
‑
2)：1，炉膛压力：(1.5
‑
2.0)kPa，沉积时间为180
‑
200h，多孔坯体密度控制在1.25～1.30g/cm3。
[0013]进一步地，所述步骤(3)中，将所述C/C坯体进行树脂压力浸渍
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固化和高温碳化致密化，浸渍介质为酚醛树脂、浸渍压力为1.7
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2.1MPa、固化温度为180～20本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高摩擦性能的C/SiC陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)碳纤维预制体的编织与高温热处理；(2)利用CVI在上述碳纤维预制体的碳纤维表面制备具有不同物理性能的热解碳层，得到C/C坯体；(3)将所述C/C坯体进行树脂压力浸渍
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固化和高温碳化致密化，并进行高温石墨化处理得到C/C多孔坯体；(4)将所述C/C多孔坯体置于真空感应高温炉中进行RMI工艺硅化处理，随后进行除硅处理，得到C/SiC陶瓷基复合材料初料；(5)对所述C/SiC陶瓷基复合材料初料进行聚碳硅烷陶瓷前躯体压力浸渍
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固化和高温裂解陶瓷化处理，即得。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中采用T700
‑
12K无捻碳纤维无纬布和碳纤维网胎通过针刺正交编织工艺制作碳纤维预制体，无捻碳纤维无纬布(80
±
2)wt％，碳纤维网胎(20
±
2)wt％；密度为(0.6
±
0.02)g/cm3。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，越靠近所述碳纤维表面，所述热解碳层密度越高。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，包括第一次CVI和第二次CVI，所述第一次CVI和第二次CVI均在等温化学气相沉积炉中进行热解碳致密化；所述第一次CVI沉积温度(1050
±
5)℃，天然气与丙烷流量之比的范围在(3
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6)：1之间，炉膛压力(1.0
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2.0)kPa，沉积时间为100
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120h，密度控制在1.0～1.1g/cm3，第一次CVI完成后进行高温石墨化处理；所述第二次CVI沉积温度：(1100
±
5)℃，天然气与丙烷流量之比的范围在(1
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2)：1，炉膛压力：(1.5
‑
2.0)kPa，沉积时间为180
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200h，多孔坯体密度控制在1.25～1.30g/cm3。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：范丽君，闫根程，郝桓民，孙永涛，赵剑，
申请(专利权)人：烟台鲁航炭材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：