一种陶瓷复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法和应用；属于陶瓷基复合材料制备技术领域。本发明专利技术所述陶瓷复合材料以质量百分比计包括：碳纤维12-20％、Ni0.01-0.1％；基体碳20-45％、SiC纳米纤维0.01-0.1％、SiC基体25-40％、Al4C33-5％、Si2-7％、Al2-10％。本发明专利技术以0.10～0.65g/cm3的炭纤维预制体为原料，通过去胶、镀镍后，在炭纤维预制体上沉积SiC纳米纤维；然后通过化学气相渗透制备C/C-SiC多孔体；所得C/C-SiC多孔体经石墨化处理后，进行熔硅浸渗，得到所述陶瓷复合材料。本发明专利技术所述陶瓷复合材料经加工过后制备成陶瓷基制动盘。该制动盘具有力学性能优良、抗氧化性优良、耐耐磨擦、耐磨损等优势，适用于高速高能载交通运输工具。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法和应用；属于陶瓷基复合材料制备

技术介绍
盘式制动器又称碟式制动器，它由液压控制、主要零部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。盘式制动器散热快、重量轻、构造简单、调整方便。当车辆在高速行驶状态作急刹车或在短时间内多次刹车，刹车的性能不易衰退，所以更适合高速刹车。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定。在汽车、装甲车和列车等交通运输工具上得到广泛应用。现阶段绝大多数制动盘是用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。在实际应用中存在以下问题：(1)耐磨性差，磨损较快；(2)散热效果不佳，反复踩刹车后将导致刹车力量因为受热而明显损失；(3)重量较重。陶瓷基(碳纤维增强陶瓷基体)摩擦材料具有质量轻、摩擦性能好、耐腐蚀、不受天气变化的影响等优点，是一种有着广泛应用前景的制动材料。陶瓷基制动盘重量更轻，满足了制动系统轻质化的需求，在极限工作状态下，能让制动响应更灵敏，具备更好的高温抗疲劳性性能。因此，瞬时热变形和永久热变形事件出现的几率就会显著减少。但是，由于陶瓷基制动盘中陶瓷基体以SiC为主(一般其质量百分含量为20-60％)，SiC的相对硬度仅低于金刚石，是一种常用的打磨金属的砂轮耐磨材料，因此制动过程中SiC易于切削磨损自身和制动片，使得摩擦副使用寿命短。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种陶瓷复合材料及其制备方法和应用，有效解决现有陶瓷基制动盘材耐磨性差、使用寿命短、稳定性较差的问题。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料，以质量百分比计包括下述组成：碳纤维12-20％；优选为15-20％；进一步优选为18-20％；基体碳20-45％；优选为30-36％；进一步优选为32-34％；Ni0.01-0.1％；优选为0.04-0.1％；进一步优选为0.05-0.08％；SiC纳米纤维0.01-0.1％；优选为0.04-0.01％；进一步优选为0.06-0.08％；SiC基体25-40％；优选为28-37％；进一步优选为32-35％；Al4C33-5％；优选为3.5-5％；进一步优选为4-4.5％；Si2-7％；优选为2-5％；进一步优选为3-5％；Al2-10％；优选为4-8％；进一步优选为5-8％。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料，所述镍均匀分布在炭纤维的表面；所述SiC纳米纤维均匀分布在碳纤维和基体碳之间；所述基体碳包覆在碳纤维上；所述SiC基体、Al4C3、Si、Al匀均匀分布分在基体碳表面。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，包括下述步骤：步骤一去胶、镀镍在保护气氛下，将密度为0.10～0.65g/cm3的炭纤维预制体进行去胶处理后镀镍至少5min，得到表面均匀分布有纳米镍的炭纤维预制体；步骤二化学气相沉积制备SiC纳米纤维将步骤一所得的表面均匀分布有纳米镍的炭纤维预制体清洗烘干后放入气相沉积炉中，持续通入沉积气源、载气和稀释气体，并控制炉内气压为500～700Pa，在800～1100℃进行化学气相沉积至少4小时，得到表面均匀分布有SiC纳米纤维(SiCNF)的炭纤维预制体；所述沉积气源为三氯甲基硅烷；步骤三化学气相渗透制备C/C-SiCNF多孔体将步骤二制备的表面均匀分布有SiC纳米纤维(SiCNF)的炭纤维预制体放入沉积炉中，通入碳源气体和稀释气体，并控制炉内气压为950-1050pa，在900～1100℃进行化学气相渗透处理，直至得到密度为1.0～1.6g/cm3的C/C-SiCNF多孔体；该过程所沉积的碳，一部分作为基体碳，一部分作为熔硅浸渗时，碳硅反应所需碳源；步骤四石墨化处理在保护气氛下，在2000～2400℃对步骤三所得密度为1.0～1.6g/cm3的C/C-SiCNF多孔体进行高温热处理15小时以上，得到石墨化的C/C-SiCNF多孔体；步骤五熔硅浸渗将石墨化的C/C-SiCNF多孔体包埋在由Si粉和Al粉组成的熔渗剂中，在1000～1500℃进行熔硅浸渗，直至得到密度为2.0～2.4g/cm3陶瓷基复合材料；所述熔渗剂中Si粉的质量百分含量为70～90％，Al粉的质量百分含量为10～30％，所用熔渗剂与C/C-SiCNF多孔体的质量比为2～4:1。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，步骤一中所述炭纤维预制体是通过下述方法制备的：将单层炭纤维0°无纬布、炭纤维胎网、炭纤维90°无纬布、炭纤维胎网依次循环叠加，然后采用带下倒钩刺的针对叠加的无纬布和网胎进行反复针刺制成密度为0.10～0.65g/cm3的炭纤维毡后，按设计的尺寸切割，得到炭纤维预制体。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，步骤一中所述去胶处理是：在保护气氛下，将预制体在480～520℃处理0.5～1.5小时。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，步骤一中；所述镀镍为电镀镀镍，镀镍所用镀液是质量百分浓度为10％～15％的硫酸镍溶液，镀镍时，控制电流为10～15A、镀液的温度为30～40℃、时间为5～30min；在实际操作过程采用直流电源作为镀镍所用电源。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，镀镍后，得到表面均匀分布有纳米镍的炭纤维预制体；所述纳米镍的粒径为0.01-0.5μm。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，步骤二中，所述载气为氢气；所述稀释气体选自氮气、氢气中的至少一种；所通入的沉积气源、载气、稀释气体的摩尔比为1:1～3:2～4。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，步骤二中，化学气相沉积制备SiC纳米纤维时，控制沉积时间为4～8小时，沉积完成后随炉冷却至室温；所述SiC纳米纤维为层片堆积状，直径为20-100nm；长度为5-20μm。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，步骤三中，所述碳源气体选自甲烷、丙稀、丙烷、天然气中的至少一种，所述稀释气体选自氮气、氢气中的至少一种；所述碳源气体与稀释气体按摩尔比碳源气体：稀释气体＝1︰1～3通入沉积炉中。在实际操作过程中，一般控制沉积时间为150-240小时。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，步骤四中，石墨化处理的时间为15～30小时。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，步骤五中，所述硅粉的纯度≥99.0％、粒度为0.01～0.1mm，铝粉的纯度≥99.5％，粒度为0.08～0.9mm。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，步骤五中，熔硅浸渗的时间为0.2～1.0小时。本专利技术所述的一种陶瓷复合材料的应用，包括用于制备陶瓷基制动盘；其操作为：得到陶瓷基复合材料后按设计的尺寸加工后装配，得到陶瓷基制动盘。本专利技术所述的一种陶瓷基制动盘的应用，所述将陶瓷基复合材料按设计的尺寸加工是：采用金刚石砂轮对陶瓷基复合材料按产品尺寸加工成一块或多块摩擦衬片，每块摩擦衬片厚度及摩擦面精度达到产品要求，摩擦衬片四周按产品尺寸的负公差加工，并在摩擦衬片上加工出与钢骨架连接的铆钉沉孔。本专利技术所述的一种陶瓷基制动盘的应用，所述装配是：按设计图纸将陶瓷基摩擦片与钢骨架进行冷铆接。本专利技术所述的一种陶瓷基制动盘的应用，所述钢骨架是以45号钢材为原料通过粗加工、热处理、清除氧化皮、粗磨并退磁、热校平并消除应力、精加工、打铆钉孔、表面电镀铜的工艺制备的，铜镀层的厚度为10～20μm。有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陶瓷复合材料，以质量百分比计包括下述组成：碳纤维12‑20％；Ni0.01‑0.1％；基体碳20‑45％；SiC纳米纤维0.01‑0.1％；SiC基体25‑40％；Al4C33‑5％；Si2‑7％；Al2‑10％。

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷复合材料，以质量百分比计包括下述组成：碳纤维12-20％；Ni0.01-0.1％；基体碳20-45％；SiC纳米纤维0.01-0.1％；SiC基体25-40％；Al4C33-5％；Si2-7％；Al2-10％；所述镍均匀分布在碳纤维的表面；所述SiC纳米纤维均匀分布在碳纤维和基体碳之间；所述基体碳包覆在碳纤维上；所述SiC基体、Al4C3、Si、Al匀均匀分布分在基体碳表面。2.一种制备如权利要求1所述陶瓷复合材料的方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一去胶、镀镍在保护气氛下，将密度为0.10～0.65g/cm3的碳纤维预制体进行去胶处理后镀镍至少5min，得到表面均匀分布有纳米镍的碳纤维预制体；步骤二化学气相沉积制备SiC纳米纤维将步骤一所得的表面均匀分布有纳米镍的碳纤维预制体清洗烘干后放入气相沉积炉中，持续通入沉积气源、载气和稀释气体，并控制炉内气压为500～700Pa，在800～1100℃进行化学气相沉积至少4小时，得到表面均匀分布有SiC纳米纤维的碳纤维预制体；所述沉积气源为三氯甲基硅烷；步骤三化学气相渗透制备C/C-SiCNF多孔体将步骤二制备的表面均匀分布有SiC纳米纤维的碳纤维预制体放入沉积炉中，通入碳源气体和稀释气体，并控制炉内气压为950-1050Pa，在900～1100℃进行化学气相渗透处理，直至得到密度为1.0～1.6g/cm3的C/C-SiCNF多孔体；步骤四石墨化处理在保护气氛下，在2000～2400℃对步骤三所得密度为1.0～1.6g/cm3的C/C-SiCNF多孔体进行高温热处理15小时以上，得到石墨化的C/C-SiCNF多孔体；步骤五熔硅浸渗将石墨化的C/C-SiCNF多孔体包埋在由Si粉和Al粉组成的熔渗剂中，在1000～1500℃进行熔硅浸渗，直至得到密度为2.0～...

【专利技术属性】
技术研发人员：李专，肖鹏，朱苏华，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43