[发明专利]C/C-SiC-ZrC-ZrB2复相陶瓷基摩擦制动材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及摩擦制动材料。具体来说，涉及高速交通工具例如飞机、高速列车等制动用的复相陶瓷基摩擦制动材料。

背景技术

摩擦材料是用于各种交通运输工具以及机器设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中的制动材料。在这些制动装置中，利用摩擦材料的摩擦性能将转动的动能转化为热能或其它形式的能量，从而使转动装置制动。理想的刹车材料应具有以下性能：足够而稳定的摩擦系数；高的导热性与耐热性；高的耐磨性；良好的耐油、湿和腐蚀能力；足够的强度；在与被贴合的部件进行摩擦接触时产生很少或不产生噪声；在工作中不发生黏结或咬合；原材料来源充裕，价格性能比高，具有良好的工艺性能等。

在高速制动领域(如飞机、高速列车以及高级跑车)，传统的粉末冶金刹车材料存在质量重和耐高温能力差等缺点；20世纪70年代以后发展的碳/碳(C/C)复合材料由于质量轻、能载高、耐高温能量强、使用寿命长等特点，成为目前广泛使用的飞机刹车材料。但是在潮湿和盐雾环境中使用时，摩擦系数急剧下降，使得刹车性能不稳定，难以满足飞机全天候和复杂服役的需求。此外，C/C复合材料由于其耐高温氧化性能差，在制备刹车材料时还需要设计防氧化涂层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的摩擦制动材料，其能够改善上述C/C刹车材料的湿态性能和/或耐高温氧化性能。

根据本发明的一个方面，提供了一种摩擦制动材料，其包括：

由碳纤维构成的碳纤维预制体，其中在碳纤维预制体的碳纤维表面上另外沉积有碳界面层；和

在碳纤维预制体上形成的陶瓷基体(陶瓷基体与碳纤维预制体形成一体，即附着在碳纤维预制体上并填充碳纤维预制体的内部空隙)。

碳界面层可以为通过化学气相沉积工艺在碳纤维表面上形成的热解碳。

陶瓷基体可以为SiC-ZrC-ZrB₂复相陶瓷。优选陶瓷基体是将碳纤维预制体浸渍在SiC-ZrC-ZrB₂复相陶瓷前驱体溶液中并通过交联固化后烧制而成。

碳纤维预制体的密度优选在0.2～1.0g/cm³之间，并且摩擦制动材料的整体密度优选在1.9～3.0g/cm³之间。

碳界面层的厚度优选在0.1～10μm之间。

碳纤维预制体可以为无纬碳布与碳纤维网胎叠层后再经连续针刺而形成，也可以为碳纤维编制成的整体结构织物。

摩擦制动材料的摩擦系数优选在0.1～0.6之间。

摩擦制动材料的开孔孔隙率优选小于10％。

根据本发明的另一方面，提供了一种摩擦制动材料的制备方法，包括：

采用碳纤维来构成碳纤维预制体；

在碳纤维预制体的碳纤维表面上化学气相沉积碳界面层；

配制液相陶瓷前驱体；

将沉积有碳界面层的碳纤维预制体浸渍在液相陶瓷前驱体中；

对浸渍液相陶瓷前驱体后的碳纤维预制体进行交联固化处理；以及

对交联固化处理后所得的材料进行陶瓷化处理从而形成摩擦制动材料。

该方法还可以包括：重复浸渍、交联固化处理和陶瓷化处理步骤直至最终所得的摩擦制动材料的密度不再增加；或者，重复浸渍、交联固化处理和陶瓷化处理步骤直至最终所得的摩擦制动材料的开孔孔隙率小于10％。

碳纤维预制体的成型方式和体积分数对最终的摩擦材料的力学性能和摩擦性能有很大影响。在本发明中，可以将无纬碳布与碳纤维网胎叠层后再经连续针刺而构成碳纤维预制体；也可以用碳纤维编制成整体结构织物而构成碳纤维预制体。

化学气相沉积步骤可以包括：以烃类气体(例如甲烷或丙烷)为碳源，采用等温化学气相沉积工艺在碳纤维表面热解沉积碳界面层，沉积温度为900～1100℃，总压为5～10kPa，烃类气体流量为2～4L/min，沉积时间为10～20h。

配制液相陶瓷前驱体步骤可以包括：分别将聚碳硅烷、聚碳锆氧烷和聚碳硼氮烷按50％的质量比溶解在甲苯或二甲苯溶剂中制备成相应的前驱体溶液，再将三种前驱体溶液按所需配比配置成SiC-ZrC-ZrB₂液相陶瓷前驱体。

浸渍步骤可以包括：将沉积有碳界面层的碳纤维预制体真空浸渍在配置好的液相陶瓷前驱体中，液相陶瓷前驱体的温度为50℃，真空度控制在1kPa以下，浸渍时间为2h。

交联固化处理步骤可以包括：将浸渍后所得的材料在烘箱中进行交联固化处理，温度为60～120℃，时间为3h，气氛为大气环境。