一种碳化硅-碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅‑碳复合材料及其备制方法和应用，将报废的高硅氧玻璃粉末、废旧的秸秆碎片、酚醛树脂、PVA、乙醇搅拌混合1‑2h，压制成饼，90℃烘干1‑2h，150‑180℃固化3‑5h；将固化后的圆饼放入高温炉中，充入惰性气体，600‑1000℃热处理2‑12 h；将高温炉升温至1400‑1800℃，于还原气氛中保温12‑24h，然后随炉降温后，破碎为粒径10‑1000μm的颗粒制得；其优点是该碳化硅‑碳复合材料具有良好导热性能、导电性能、抗熔体侵蚀性能和抗渗透性能好；并提供了一种利用废旧资源、成本低廉、易实现的碳化硅‑碳复合材料的制备方法；该碳化硅‑碳复合材料适用于刹车片。

A Silicon Carbide-Carbon Composite Material and Its Preparation Method and Application

The invention discloses a silicon carbide carbon composite material and its preparation method and application, mixing scrap high silica glass powder, scrap straw fragments, phenolic resin, PVA and ethanol for 1 2 h, pressing into a cake, drying at 90 2 h, curing at 150 180 3 5 h, and filling the cured round cake in a high temperature furnace with inert gas and heat treating at 600 1 000 2 12 h. The high temperature furnace was heated to 1400 1800 C, kept for 12 24h in the reducing atmosphere, and then crushed into 10 1000 micron particles with the furnace cooling down. Its advantages are that the silicon carbide carbon composite material has good thermal conductivity, electrical conductivity, melt corrosion resistance and permeability resistance; and a kind of silicon carbide, which is easy to realize with waste resources, low cost, is provided. The preparation method of carbon composite material; the silicon carbide carbon composite material is suitable for brake pads.

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅-碳复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及无机非金属复合材料制备的
，尤其涉及一种碳化硅-碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
刹车片是制动装置的核心部件，刹车片的材料性能是制约刹车性能的关键。伴随着对各种制动状况的需求和约束不断提高，如高铁制动装置、大飞机制动装置等，对核心部件的关键材料要求也越来越高。传统的制动材料(合金材料、纯碳材料、传统陶瓷材料等)已经很难满足在耐摩擦磨损性能、韧性、抗热震性、比重、导热等性能方面新的需求。碳化硅材料由于其优异的力学性能、耐摩擦磨损、耐高温、抗氧化、抗烧蚀性能，被认为是具有高性能的陶瓷原料。在众多领域广泛应用。碳材料具有韧性好、导热性高和比重小等优良的性能。碳化硅-碳复合材料结合了碳化硅和碳材料的优点，这种复合材料比纯碳化硅材料韧性好，可以抗氧化、抗热震，比模量高、比强度高、且具有更优异的高温力学性能。碳化硅-碳复合材料在航空、航天、海洋工程、先进制造、新能源等方面具有广阔的应用前景。将碳化硅-碳复合材料应用于刹车片的制造，不仅可以使刹车片具有盘密度小、刹车平稳，磨损失重率小、热容量大等优势，而且克服了吸湿性大、湿态摩擦系数低、静摩擦系数低、适应性差的不足。目前，制备碳化硅-碳复合材料的方法主要四种，包括前驱体浸渍裂解法、化学气相渗透法、热压法和气相渗硅法。其中，前驱体浸渍裂解法对原材料的要求苛刻且前驱体的价格昂贵；化学气相渗透法对制备温度和条件要求很高；热压法对的设备价格昂贵；液相或气相渗硅法制品的性能略低。这些方法有些原料苛刻，有些生产成本很高，普通企业难以承担，大规模推广存在一定的困难。同时，以上四种制备碳化硅-碳复合材料的方法中所用原材料有的为碳化硅砂、有的为有机前驱体、有的为合成碳纤维等成本相对高昂的原材料，且不具备环保优势。不能实现资源再利用和变废为宝。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种耐摩擦磨损性能好、热容量大的碳化硅-碳复合材料，该碳化硅-碳复合材料具有良好导热性能、导电性能、抗熔体侵蚀性能和抗渗透性能好；并提供了一种利用废旧资源、成本低廉、易实现的碳化硅-碳复合材料的制备方法；该碳化硅-碳复合材料适用于刹车片。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种碳化硅-碳复合材料，该碳化硅-碳复合材料的质量百分比组成包括：碳化硅相为50-99wt％，游离碳相为0-50wt％，游离硅相为0-35wt％，其它物相为0-2wt％；其中所述的其它物相为Fe、B、P或K中一种或多种元素的氧化物或碳化物杂相。进一步地，所述的游离碳相的显微形貌为长度1-50μm的束状纤维结构。进一步地，所述碳化硅-碳复合材料为粒径为10-1000μm的颗粒。一种碳化硅-碳复合材料的备制方法，包括以下步骤：(1)、将报废的高硅氧玻璃破碎，得到粒径为200～500μm的高硅氧玻璃粉末；(2)、将废旧的秸秆剪切破碎，得到长度＜500μm的秸秆碎片；(3)、将高硅氧玻璃粉末、秸秆碎片、酚醛树脂、PVA、乙醇搅拌混合1-2h后，压制成饼，90℃烘干1-2h后，150-180℃固化3-5h；其所用的原料按以下质量比配比：高硅氧玻璃粉末占固相物料质量的50-90％，秸秆碎片占固相物料的质量的10-50％，酚醛树脂占固相物料质量的0-20％，PVA占固相物料质量的0-5％，乙醇为固相物料质量的0-20％；(4)、将固化后的圆饼放入高温炉中，充入惰性气体，将高温炉以5-10℃/min的升温速度升温至600-1000℃后热处理2-12h；然后将高温炉以2-5℃/min的升温速度升温至1400-1800℃，并将圆饼在1400-1800℃于还原气氛中保温12-24h，然后随炉降温，得到降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼；(5)、将降温后的碳化硅-碳复合材料圆饼破碎为粒径10-1000μm的颗粒。进一步地，步骤(1)中所述的高硅氧玻璃中，SiO2的含量≥96wt％，Fe的含量＜0.2wt％，B2O3的含量≤1.5wt％。原材料纯度高，有利于保证碳化硅-碳复合材料的纯度。进一步地，步骤(2)中所述的秸秆的C含量≥85wt％。提供纯度高、尺寸小且活性高的原材料，有利于保证碳化硅-碳复合材料的纯度。进一步地，步骤(3)中所用的原料按以下质量比配比：所述的高硅氧玻璃粉末占固相物料质量的60％，秸秆碎片占固相物料质量的35％，酚醛树脂占固相物料质量的4.5％，PVA占固相物料质量的0.5％，乙醇为固相物料质量的15％。进一步地，步骤(3)中所述的酚醛树脂为粒径为200-600μm的固体粉末或固含量>70％的粘稠液体，所述的酚醛树脂的残炭率＞50％。酚醛树脂具有粘性好，并可以提供一部分碳源，从而保证圆饼坯体强度和控制碳化硅-碳复合材料中碳的含量。进一步地，步骤(4)中所述的惰性气体为N2或Ar，所述的还原气氛为氢气与氮气的混合气体，其中所述的氢气体积比为3-5％。防止材料被高温氧化。上述碳化硅-碳复合材料在刹车片应用。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1.制备的碳化硅-碳复合材料不仅具有优异的耐摩擦磨损性能、热容量大、良好性能的导热和导电性能，且具有优良的抗熔体侵蚀性能和抗渗透性能，还具有优异的高温力学性能、抗氧化性能、热震稳定性能、高比强度、高比模量和抗脆性断裂特点；是适用于刹车片的优良材料。2.秸秆在高温炉中热处理后残留的纤维结构在碳化硅-碳复合材料中起到了增强增韧的作用，提高了该复合材料的机械性能、降低脆性断裂；性能优异；可进一步提高刹车片的综合性能；3.采用废秸秆为碳源、报废高硅氧玻璃为原材料，实现资源再利用、节能环保且成本低廉；4.降低对设备、原材料、加工条件要求等方面的要求，提供了一种简捷的加工方法，具有工艺简单、成本低廉的优点；5.两段升温、两段保温，两次气体保护，防止氧化；从室温到600-1000℃第一段升温和保温，是促使秸秆转化为碳的过程，同时也是高硅氧玻璃初始熔化的阶段；后一个阶段是SiO2和C向SiC反应的阶段，在高温炉中进行，提供高温环境，并在这两个阶段中冲入气体保护，防止氧化，有利于得到高纯度的碳化硅-碳复合材料；6.采用PVA和乙醇分别起到成型、固化和粘结作用。具体实施方式以下实施例对本专利技术作进一步详细描述。实施例一：一种碳化硅-碳复合材料，该碳化硅-碳复合材料的质量百分比组成包括：碳化硅相为50wt％，游离碳相为48wt％，游离硅相为1wt％，其它物相为1wt％；其中其它物相为Fe、B、P或K中一种或多种元素的氧化物或碳化物杂相。游离碳相的显微形貌为长度1μm的束状纤维结构。碳化硅-碳复合材料为粒径为10μm的颗粒。实施例二：一种碳化硅-碳复合材料，该碳化硅-碳复合材料的质量百分比组成包括：碳化硅相为99wt％，游离碳相为0.5wt％，游离硅相为0.2wt％，其它物相占质量比为0.3％；其中其它物相为Fe、B、P或K中一种或多种元素的氧化物或碳化物杂相。游离碳相的显微形貌为长度50μm的束状纤维结构。碳化硅-碳复合材料为粒径为1000μm的颗粒。实施例三：一种碳化硅-碳复合材料，该碳化硅-碳复合材料的质量百分比组成包括：碳化硅相为70wt％，游离碳相为20wt％，游离硅相为8wt％，其它物相为2wt％；其中其它物相为Fe、B、P或K中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅‑碳复合材料，其特征在于该碳化硅‑碳复合材料的质量百分比组成包括：碳化硅相为50‑99wt%，游离碳相为0‑50 wt%，游离硅相为0‑35wt %，其它物相为0‑2 wt %；其中所述的其它物相为Fe、B、P或K中一种或多种元素的氧化物或碳化物杂相。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅-碳复合材料，其特征在于该碳化硅-碳复合材料的质量百分比组成包括：碳化硅相为50-99wt%，游离碳相为0-50wt%，游离硅相为0-35wt%，其它物相为0-2wt%；其中所述的其它物相为Fe、B、P或K中一种或多种元素的氧化物或碳化物杂相。2.根据权利要求1所述的一种碳化硅-碳复合材料，其特征在于所述的游离碳相的显微形貌为长度1-50μm的束状纤维结构。3.根据权利要求1所述的一种碳化硅-碳复合材料，其特征在于所述的碳化硅-碳复合材料为粒径为10-1000μm的颗粒。4.一种如权利要求1-3任一项所述的碳化硅-碳复合材料的备制方法，其特征在于包括以下步骤：（1）、将报废的高硅氧玻璃破碎，得到粒径为200～500μm的高硅氧玻璃粉末；（2）、将废旧的秸秆剪切破碎，得到长度＜500μm的秸秆碎片；（3）、将高硅氧玻璃粉末、秸秆碎片、酚醛树脂、PVA、乙醇搅拌混合1-2h后，压制成饼，90℃烘干1-2h后，150-180℃固化3-5h；其所用的原料按以下质量比配比：高硅氧玻璃粉末占固相物料质量的50-90%，秸秆碎片占固相物料的质量的10-50%，酚醛树脂占固相物料质量的0-20%，PVA占固相物料质量的0-5%，乙醇为固相物料质量的0-20%；（4）、将固化后的圆饼放入高温炉中，充入惰性气体，将高温炉以5-10℃/min的升温速度升温至600-1000℃后热处理2-12h；然后将高温炉以2-5℃/min的升...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭岱东，王坚，林超，邬国平，
申请(专利权)人：宁波哈泰雷碳化物有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33