[发明专利]一种碳-碳化硅双元基体碳纤维复合材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了碳‑碳化硅双元基体碳纤维复合材料、其制备方法及应用。该方法包括步骤：（1）碳纤维预制体的编织与高温热处理；（2）制备多孔炭/炭坯体；（3）通过浸渍方式在上述炭/炭多孔坯体内部引入碳元素和硅元素，经浸渍与裂解的循环周期后，得到C_f/C_m‑Si_m多孔中间体；（4）对C_f/C_m‑Si_m多孔中间体进行包埋式熔融渗Si，制得C_f/C_m‑SiC_m复合材料。该复合材料内部SiC分布均匀、残余Si含量为1.2~3.3%、弯曲强度为236~275MPa、压缩强度为322~364MPa、动态摩擦系数为0.32~0.48，力学/摩擦性能优良、热稳定性及环境适用性强，适用于制作汽车制动盘/片。

技术领域

本发明属于C/C-SiC摩擦材料领域，具体涉及一种碳-碳化硅双元基体碳纤维复合材料、其制备方法及应用。

背景技术

C/C-SiC复合材料具有密度低、耐磨损、制动平稳、抗氧化、耐高温、耐腐蚀、环境适用性强、寿命长等优势，作为新一代高性能摩擦材料，在飞机刹车系统、高速列车刹车系统、磁悬浮列车刹车系统、汽车制动系统、工程机械制动系统等领域均具有良好的应用前景。

熔融渗硅法（LSI）是制备C/C-SiC复合材料最广泛的制备方法，具有材料孔隙率低、可实现近净成型、制备周期短、成本低等优点，其原理是利用炭/炭坯体内部连通孔隙的毛细管力引入液态硅，通过Si润湿C并与之反应生成SiC基体，得到致密C/C-SiC复合材料。目前，传统LSI工艺制备C/C-SiC复合材料的制备温度较高、液态Si易与纤维反应，对碳纤维损伤较大；材料内部残余Si含量偏高，使用温度超过Si熔点时可使材料损失机械强度，且材料摩擦稳定性较差，其高温应用领域受到限制；另外，仅适用于制备薄壁件，在制备厚度较大的复合材料时SiC厚度方向上的分布不均匀，呈梯度分布特征，材料性能稳定性较差，使用过程中易产生开裂失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SiC分布均匀、残余Si含量低、力学/摩擦性能优良、环境适应性强、制造成本低的碳-碳化硅双元基体碳纤维复合材料制备方法。

所述碳-碳化硅双元基体碳纤维复合材料的制备方法，该方法包括步骤：

（1）碳纤维预制体的编织与高温热处理；

（2）利用化学气相沉积法在上述碳纤维预制体的的表面制备热解碳保护层，得到多孔炭/炭坯体；

（3）通过浸渍方式在上述炭/炭多孔坯体内部引入碳元素和硅元素，经浸渍与裂解的循环周期后，得到C_f/C_m-Si_m多孔中间体；

（4）对上述C_f/C_m-Si_m多孔中间体进行包埋式熔融渗Si，制得C_f/C_m-SiC_m复合材料。

优选地，上述碳-碳化硅双元基体碳纤维复合材料的制备方法具体包括以下步骤：

（1）碳纤维预制体编织与热处理：以密度为0.40～0.55 g/cm³的针刺整体毡作为碳纤维预制体，在惰性保护气氛下对其进行1800～2000℃高温热处理；

（2）热解碳保护层制备：以天然气为碳源，采用化学气相沉积法在上述碳纤维预制体的碳纤维表面制备热解碳保护层，得到体积密度为0.54～0.68 g/cm³的多孔炭/炭坯体；