一种基于快速沉积工艺的碳/碳（陶）复合材料刹车盘制备设备及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于快速沉积工艺的碳/碳(陶)复合材料刹车盘制备设备及其制备方法，化学气相渗透(CVI)法是碳/碳(陶)复合材料致密化常用的一种方法，是制备高性能碳基及陶瓷基复合材料的主要技术手段，但其缺点在于制备周期较长，制备成本较高，无法实现大规模工程化应用。本发明专利技术主要针对其制备周期长的行业痛点，通过控制沉积过程的速度场、气体浓度场与温度场分布，在大幅缩短CVI工艺周期的同时，有效控制预制体孔隙的致密化过程，从而做到有效控制碳/碳复合材料的密度。

A Fabrication Equipment and Method of Carbon/Carbon (Ceramic) Composite Brake Disc Based on Rapid Deposition Technology

The invention discloses a carbon/carbon (ceramics) composite brake disc preparation equipment based on rapid deposition process and its preparation method. Chemical vapor infiltration (CVI) method is a commonly used method for densification of carbon/carbon (ceramics) composite materials, and is the main technical means for preparing high performance carbon-based and ceramic-based composite materials, but its shortcoming is that the preparation period is longer, the preparation cost is higher, and it can not be realized. Scale engineering application. The invention mainly aims at the painful points in the industry with long preparation period. By controlling the distribution of velocity field, gas concentration field and temperature field in the deposition process, while greatly shortening the CVI process cycle, the densification process of the preform pore is effectively controlled so as to effectively control the density of the carbon/carbon composite material.

【技术实现步骤摘要】
一种基于快速沉积工艺的碳/碳(陶)复合材料刹车盘制备设备及其制备方法
本专利技术公开一种基于快速沉积工艺的碳/碳(陶)复合材料刹车盘制备设备。
技术介绍
化学气相渗透(CVI)法是碳/碳(陶)复合材料致密化常用的一种方法，该项致密化方法具有对纤维损伤小，性能可设计性强，工艺灵活等特点，能够赋予复合材料更优异的综合性能，是制备高性能碳基及陶瓷基复合材料的主要技术手段。但其缺点在于制备周期较长，制备成本较高，无法实现大规模工程化应用。CVI工艺致密化就是碳源气体在增强体预制体表面及内部裂解沉积热解碳的过程。其本质上是一个伴随有化学反应的传质过程。其反应历程大致为三个阶段：1.碳源气体由预制体表面向内部扩散，并伴随着热解反应；2.裂解生成的热解碳在预制体或热解碳表面沉积，同时生成气态副产物；3.气态副产物从预制体内排出。但常规CVI工艺的缺点主要体现在以下两方面：(1)基体的致密化需要进行多次CVI工艺，导致生产周期长、制备成本高；(2)预制体的孔隙入口附近气体浓度高，表面沉积速度大于内部沉积速度，导致气孔封闭，气体无法流动至预制体内部，容易产生密度梯度。对于飞机而言，在刹车制动过程中大量的动能转化为热能。其刹车盘表面温度甚至能从室温急剧上升到上千摄氏度。与传统的金属及粉末冶金刹车盘相比，碳/碳复合材料刹车盘具有重量轻，耐磨损、比热高、高温不黏连等优点，因而在飞机刹车领域得到了广泛应用。碳/陶刹车材料是在碳/碳刹车材料基础上发展而来的一种新型刹车材料，与碳/碳刹车材料相比，碳/陶刹车材料具有优良的抗氧化性能及湿态摩擦性能衰减小，耐磨损使用寿命长等特点。基于以上特点，碳/陶刹车材料在高速列车，载重汽车及大型工程车辆等刹车领域具有广泛的应用前景。CVI工艺可以通过调整沉积工艺参数制得不同结构的热解碳，以此满足不同性能要求的复合材料应用领域。专利CN103982578A《一种飞机碳/碳复合材料刹车盘摩擦对偶的制备方法》采用了丙烯气+氮气混合气源进行沉积制备的刹车盘作为静盘，天然气+丙烷气混合气源进行沉积制备的刹车盘作为动盘组成摩擦对偶。静盘和动盘均经过两次气相沉积，沉积时间至少在600h～900h。专利CN102128225A《一种碳陶刹车盘的制造方法》采用了CVI+RMI的工艺方法制备碳陶复合材料刹车盘。该专利采用常规的CVI工艺制备了C/C坯体，然后在坯体上进行渗硅，进而制得碳陶刹车材料。在制备C/C坯体过程中，气相沉积时间长达250～300h。
技术实现思路
为解决以上现有技术存在的问题，本专利技术目的是提出一种基于快速沉积工艺的碳/碳(陶)复合材料刹车盘制备设备及其制备方法，利用该制备设备实现的工艺方法通过控制沉积过程的速度场、气体浓度场与温度场分布，在大幅缩短CVI工艺周期的同时，有效控制预制体孔隙的致密化过程，从而做到有效控制碳/碳复合材料的密度。本专利技术的一种基于快速沉积工艺的碳/碳(陶)复合材料刹车盘制备设备，包括高温气相沉积炉炉体与炉体内石墨或碳/碳复合材料工装，炉体内部空间被石墨或碳/碳复合材料工装分为气体预热区和气体沉积区，所述气体预热区根据进气位置的不同，其位置可位于炉体的上部或下部，所述气体预热区通过石墨或碳/碳复合材料管道与进气孔和所述气体沉积区设有的一个或一个以上进气柱相连通；所述气体沉积区顶部或底部设有的出气孔与真空泵系统连通。作为优选实施例，若干碳纤维预制体依次套在所述进气柱上，每层所述碳纤维预制体之间用高度为2～20mm小碳块支撑形成2～20mm与所述进气孔连通的气体通道，在每个进气柱上的所述碳纤维预制体外部套有一石墨或碳/碳复合材料套筒，该套筒与所述纤维预制体外缘形成一个宽度为2～20mm的环形窄缝，该环形窄缝与所述进气孔连通。本专利技术还提出一种利用上述基于快速沉积工艺的刹车盘制备设备制备碳/碳复合材料刹车盘或碳/陶复合材料刹车盘胚体的方法，包括以下步骤：1)将所述碳纤维预制体石墨化处理；2)将装炉，将石墨化处理后的若干碳纤维预制体依次套在所述进气柱上，每层所述碳纤维预制体之间用高度为2～20mm小碳块支撑形成2～20mm与所述进气孔连通的气体通道，在每个进气柱上的所述碳纤维预制体外部套有一石墨或碳/碳复合材料套筒，该套筒与所述刹车盘外缘形成一个宽度为2～20mm的环形窄缝，该环形窄缝与所述进气孔连通；3)吹扫；4)开启冷却水循环系统；5)升温；6)快速沉积，将碳源气体，从高温气相沉积炉顶部或底部通入，气体预热后经所述进气柱中心进入，分别从中心柱不同高度的预留侧孔流出，并在每层预制体表面快速流过，后经所述套筒壁面与刹车盘预制体之间窄缝向上流出炉体；7)石墨化处理；8)机加工处理，将石墨化后的坯体根据刹车盘最终结构设计进行精细加工打磨，碳/碳复合材料刹车盘完成。由于采用以上技术方案，本专利技术的一种基于快速沉积工艺的刹车盘制备设备制备碳/碳复合材料刹车盘或碳/陶复合材料刹车盘胚体的方法，主要针对其制备周期长的行业痛点，通过控制沉积过程的速度场、气体浓度场与温度场分布，在大幅缩短CVI工艺周期的同时，有效控制预制体孔隙的致密化过程，从而做到有效控制碳/碳复合材料的密度。附图说明图1为碳/碳复合材料刹车盘制备工艺流程图图2为碳/陶复合材料刹车盘制备工艺流程图图3为本专利技术一实施例的气相沉积流场示意图图4碳纤维预制体堆码三维示意图具体实施方式以下通过特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。本专利技术的一种基于快速沉积工艺的碳/碳(陶)复合材料刹车盘制备设备，包括高温气相沉积炉炉体与炉体内石墨或碳/碳复合材料工装，炉体内部空间被石墨或碳/碳复合材料工装分为气体预热区和气体沉积区，气体预热区根据进气位置的不同，其位置可位于炉体的上部或下部，气体预热区通过石墨或碳/碳复合材料管道与进气孔和气体沉积区设有的一个或一个以上进气柱相连通；气体沉积区顶部或底部设有的出气孔与真空泵系统连通。如图3所示，为本专利技术基于快速沉积工艺的碳/碳(陶)复合材料刹车盘制备设备的其中一实施例，包括高温气相沉积炉炉体，炉体分为下部的设有加热管的气体预热区A和上部的设有一个进气柱E的气体沉积区B，进气柱E与气体预热区A底部设有的进气孔C和气体沉积区B顶部设有的出气孔D连通。具体实施例时，若干碳纤维预制体F依次套在进气柱E上，每层碳纤维预制体F之间用高度为2～20mm小碳块支撑形成2～20mm与进气孔C连通的气体通道，在每个进气柱F上的碳纤维预制体F外部套有一石墨或碳/碳复合材料套筒，该套筒与纤维预制体外缘形成一个宽度为2～20mm的环形窄缝，该环形窄缝与进气孔C连通。如图4所示为碳纤维预制体堆码三维示意图。实施例1一种制备碳/碳复合材料刹车盘的方法，如图1所示为碳/碳复合材料刹车盘制备工艺流程图，包括以下步骤：1.碳纤维预制体石墨化处理，将体积分数为40％的近终型预制体置于高温炉中在2200℃石墨化处理2h；2.装炉，将若干碳纤维预制体F依次套在进气柱E上，每层碳纤维预制体F之间用高度为2mm小碳块支撑形成2mm与进气孔C连通的气体通道，在每个进气柱F上的碳纤维预制体F外部套有一石墨或碳/碳复合材料套筒，该套筒与刹车盘外缘形成一个宽度为2mm的环形窄缝，该环形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于快速沉积工艺的碳/碳(陶)复合材料刹车盘制备设备，其特征在于，包括高温气相沉积炉炉体与炉体内石墨或碳/碳复合材料工装，炉体内部空间被石墨或碳/碳复合材料工装分为气体预热区和气体沉积区，所述气体预热区根据进气位置的不同，其位置可位于炉体的上部或下部，所述气体预热区通过石墨或碳/碳复合材料管道与进气孔和所述气体沉积区设有的一个或一个以上进气柱相连通；所述气体沉积区顶部或底部设有的出气孔与真空泵系统连通。

【技术特征摘要】
1.一种基于快速沉积工艺的碳/碳(陶)复合材料刹车盘制备设备，其特征在于，包括高温气相沉积炉炉体与炉体内石墨或碳/碳复合材料工装，炉体内部空间被石墨或碳/碳复合材料工装分为气体预热区和气体沉积区，所述气体预热区根据进气位置的不同，其位置可位于炉体的上部或下部，所述气体预热区通过石墨或碳/碳复合材料管道与进气孔和所述气体沉积区设有的一个或一个以上进气柱相连通；所述气体沉积区顶部或底部设有的出气孔与真空泵系统连通。2.根据权利要求1所述的基于快速沉积工艺的碳/碳(陶)复合材料刹车盘制备设备，其特征在于，若干碳纤维预制体依次套在所述进气柱上，每层所述碳纤维预制体之间用高度为2～20mm小碳块支撑形成2～20mm与所述进气孔连通的气体通道，在每个进气柱上的所述纤维预制体外部套有一石墨或碳/碳复合材料套筒，该套筒与所述纤维预制体外缘形成一个宽度为2～20mm的环形窄缝，该环形窄缝与所述进气孔连通。3.一种根据权利要求1所述的基于快速沉积工艺的刹车盘制备设备制备碳/碳复合材料刹车盘或碳/陶复合材料刹车盘胚体的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将碳纤维预制体石墨化处理；2)装炉，将石墨化处理后的若干碳纤维刹车盘预制体依次套在所述进气柱上，在每个进气柱上的所述碳纤维预制体外部套有一石墨或碳/碳复合材料套筒；3)吹扫；4)开启冷却水循环系统；5)升温；6)快速沉积，将碳源气体从高温气相沉积炉顶部或底部通入，气体预热后经所述进气柱中心进入，分别从进气柱不同高度的预留侧孔流出，并在每层预制体表面快速流过，后经所述套筒壁面与刹车盘预制体之间窄缝向上流出炉体；7)石墨化处理；8)机加工处理，将石墨化后的坯体根据刹车盘最终结构设计进行精细加工打磨，碳/碳复合材料刹车盘或碳/陶复合材料刹车盘胚体完成。4.根据权利要求1所述的制备碳/碳复合材料刹车盘或碳/陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴彪，邵忠，贾林涛，
申请(专利权)人：上海康碳复合材料科技有限公司，福建康碳复合材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31