[发明专利]一种陶瓷/金属双连续相复合材料闸片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高速列车制动用的摩擦材料领域，具体地说是一种碳化硅泡沫陶瓷、摩擦组元、铜合金三相复合的陶瓷/金属双连续相复合材料闸片及其制备方法。

背景技术

时速200km/h以上的高速列车普遍采用了盘形制动，当高速列车其他制动方式发生故障时，盘形制动就是列车安全停车的唯一保障。因此，盘形制动是高速列车的关键部件和安全运行的重要保证，其关键材料——先进制动材料的研究理所当然地成为了制动装置研究的一项重要工作。也正是由于这个原因，法国、德国和日本在发展高速铁路时都把盘形制动摩擦材料作为关键技术进行攻关。目前，我国也正在引进和研究高速列车，同样需要着手研究并解决盘形制动摩擦材料问题。

目前，国外开发出的可用于时速200Km/h以上的高速列车制动盘/闸片主要包括：铸铁制动盘与树脂基闸片、铸钢或锻钢制动盘与粉末冶金闸片；C/C复合材料；陶瓷颗粒弥散增强铝基制动盘与树脂基闸片；金属陶瓷涂层制动盘与陶瓷闸闸片等。其中的铸铁制动盘与树脂基闸片是早期使用的制动材料；C/C复合材料在1981年装车于法国高速列车巴黎东南号；陶瓷颗粒弥散增强铝基制动盘与树脂基闸片、金属陶瓷涂层制动盘与陶瓷闸片也已经在德国的ICE、法国的TGV高速列车上进行了试验；现在世界各国高速列车制动盘/闸片使用最多、最稳定的是铸钢或锻钢制动盘与粉末冶金闸片。

我国生产的制动盘与粉末冶金闸片质量与发达国家的产品存在一定的差距。尽管从“九五”开始国内相关的研究单位和生产厂家一直在努力提高制动盘/闸片的制动性能，并取得明显的进步，但粉末冶金闸片的使用寿命短的问题未能得到根本解决。因此，难以完全满足我国高速列车对制动盘/闸片的迫切需求。

在应用过程中，上述制动盘/闸片均存在自身的特点与不足：陶瓷颗粒弥散增强铝基制动盘最大的优势是减重，但使用温度限制在400℃以内。树脂基闸片尽管有制造工艺简单、成本低廉的优势，但使用温度不能超过275℃。突破使用温度的限制，是决定陶瓷颗粒弥散增强铝基制动盘与树脂基闸片配副能否在高速列车上得到应用的关键；C/C复合材料制动盘具有较高的摩擦系数、较低的磨损率、制动能可以达到90MJ，但在潮湿条件下，摩擦系数过低导致安全隐患，同时过高的制造成本也限制了它在高速列车上的应用；铸钢或锻钢制动盘与铜基或铁基粉末冶金闸片配副是目前各国高速列车使用最多的配副，但粘连、过量磨损、疲劳以及环境因素(如含于气孔中的水瞬间汽化产生巨大应力)导致闸片开裂等因素，制约了粉末冶金闸片寿命的提高。尽管通过对制备工艺优化和采用先进的表面后处理技术可以提高粉末冶金闸片性能，但由于这类复合材料中增强相与基体之间的0-3型连接关系，弥散在基体中的增强颗粒无法有效抑制大量摩擦热导致的摩擦片高温变形和粘着磨损，刹车过程中局部温度过高还会与周围区域形成较大的温度梯度，这种周期作用的温度梯度会在摩擦面的表面或亚表面形成缺陷、产生的微裂纹进而扩展成裂纹并导致闸片失效，寿命短的问题依然不能从根本上加以解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高速列车制动的陶瓷/金属双连续相复合材料闸片及其制备方法，解决现有技术中闸片性能较低、寿命短、成本高等问题。用本发明提供的复合材料闸片能够与28CrMoV锻钢制动盘配副并具有合适而稳定的摩擦系数、低磨损率、高耐热性、抗热机械损伤能力强、工艺性能好、制造成本低和长寿命等特点，完全满足200～300km/h高速列车制动需求，并对350km/h高速列车制动需求具有良好的竞争优势。

本发明的技术方案是：

一种陶瓷/金属双连续相复合材料闸片，按重量分数计，其成份由15％～40％的泡沫碳化硅陶瓷和10％～30％的摩擦组元和75％～30％的金属组成。

所述的陶瓷/金属双连续相复合材料闸片，其结构为：碳化硅泡沫陶瓷的孔径为：0.1mm～3mm，碳化硅泡沫陶瓷增强相为三维网络化的整体分布，陶瓷与金属基体之间形成相互贯通的三维网络结构，具备三维的泡沫陶瓷与三维的金属复合构成的3-3型连接特征。

所述的陶瓷/金属双连续相复合材料闸片的制备方法，采用高分子热解结合可控熔渗反应烧结的技术制备出具有三维网络结构的碳化硅泡沫陶瓷，选择合适的摩擦组元填充到泡沫陶瓷网孔内，利用挤压铸造的方法将熔融的金属压注到泡沫陶瓷骨架内获得陶瓷/金属双连续相复合材料闸片。具体如下：

(1)高强度碳化硅泡沫陶瓷制备

按专利申请号为：03134039.3(公开号CN1600742A)提供的方法制备高强度碳化硅泡沫陶瓷。

(2)摩擦组元的制备与填充