轨道车辆用碳基制动材料制造技术

一种轨道车辆用碳基制动材料，该材料的制造方法包括以下几个步骤：酚醛泡沫的制备，酚醛泡沫的碳化热处理，泡沫碳预制体的致密化和高温热处理。在酚醛树脂中加入表面活性剂、发泡剂、固化剂和碳纤维或石墨粉，经过搅拌发泡得到酚醛泡沫。在碳化炉中，对酚醛泡沫进行碳化热处理得到泡沫碳预制体。用化学气相沉积（ＣＶＤ）、沥青浸渍／碳化或者化学气相沉积（ＣＶＤ）＋沥青浸渍／碳化相结合的方式对泡沫碳进行致密化，得到泡沫碳增强碳基复合材料。对经过致密化的碳基复合材料进行高温热处理，即得该制动材料。该制动材料具有质量轻，耐腐蚀，耐磨损，抗氧化性能好，线膨胀系数低，摩擦数稳定、使用噪音小和性价比低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种轨道车辆用碳基制动材料，主要是提供一种制造该碳基制动材料的制造方法，属于碳基复合材料

技术介绍
随着我国轨道交通运输业的快速发展，地铁/轻轨、铁路机车以及高速机车日益得到推广和普及，并且它们的速度和载荷也在不断提高，这对机车所使用的制动材料提出了更加苛刻的要求。目前轨道机车一直沿用闸瓦式制动，其摩擦材料制动耗费大(对于地铁，一般使用三个月后要彻底更换)。《铁路科技发展“十五”计划和2015年发展规划纲要》指出“要逐步实现客运专线高速化”，客运高速列车的最高时速应大于300千米/小时(km/h)，紧急制动距离应小于3.7km。列车提速使制动装置的制动性能成为一个关键的问题，对车辆行驶安全至关重要的制动装置(盘型制动器)的性能提出更加苛刻的要求必需要有良好的摩擦性能，较低的磨耗率和较长的使用寿命。目前，我国常用的列车制动材料有含磷铸铁材料、粉末冶金材料和合成摩阻材料。一般来说，当列车时速大于300km/h时，铸铁等大部分刹车盘几乎到了极限。在高的行驶速度下，应采用碳基复合材料制动盘，其具有重量轻、耐热裂和在高速时制动性能优良的特点。
技术实现思路
本专利技术一种轨道车辆用碳基制动材料，其主要目的系在提供一种具有耐磨损、摩擦系数稳定、使用噪音小和成本较低的碳基制动材料的制造方法。本专利技术一种轨道车辆用碳基制动材料，该材料的制造方法包括以下几个步骤(1)酚醛泡沫的制备；(2)酚醛泡沫的碳化热处理；(3)泡沫碳预制体的致密化；(4)高温热处理。该碳基制动材料的制备工艺如图1所示。(1)酚醛泡沫的制备表1.组成的成分及其重量百分比 在酚醛树脂中加入表面活性剂，然后预热酚醛树脂(40～60℃)，然后加入发泡剂、固化剂和添加剂，用机械搅拌和超声波振荡相结合的方式对混合物进行搅拌后倒入模具中，在40～100℃下发泡就可得到酚醛泡沫。通过改变发泡剂的加入量，可以得到不同密度(0.2～0.6g/cm3)和孔径大小(0.1～1mm)的酚醛泡沫。(2)酚醛泡沫的碳化热处理将酚醛泡沫在真空碳化炉中，在真空状态下，以30～50℃/h的升温速率，升温到1000～1200℃，并保温1～4h，得到泡沫碳预制体，密度为0.1～0.5g/cm3。(3)泡沫碳预制体的致密化泡沫碳预制体的致密化方法与制备碳纤维增强碳基体复合材料的方法相似化学气相沉积(CVD)、沥青浸渍/碳化，或者是化学气相沉积(CVD)+沥青浸渍/碳化两种方法相结合。●化学气相沉积(CVD)将泡沫碳预制体放在CVD沉积炉中，升温到950～1200℃，以甲烷、丙烷或天然气等碳氢气体为沉积气源，氮气等气体为稀释气体，沉积压力为0.5～5kPa。当泡沫碳预制体处在这种环境中，碳氢气体分解出热解碳和废气。热解碳沉积在泡沫碳的孔隙、裂纹和纤维表面，而废气通过真空泵排出。通过控制反应气体的压力和流量、反应温度、样品的摆放，热解碳结构分为粗糙层，光滑层和各相同性层。●沥青浸渍/碳化将泡沫碳预制体放在一个容器里，沥青(中间相沥青、煤-焦油沥青等)放在另一个与之相通的容器里。通过真空泵，把泡沫碳预制体孔隙中的空气排出，然后将沥青升温到溶化点(250～350℃)以上，接着把容器中的沥青倒入放泡沫碳的容器中并将泡沫碳覆盖，再通入氮气，使容器的压力达到一个大气压。由于溶化的沥青有较好的流动性，沥青就充满泡沫碳的孔隙，达到致密化的效果。对浸渍沥青的泡沫碳预制体进行碳化高温热处理。把材料放在真空碳化炉中，在真空状态下，以30～50℃/h的升温速率，升温到1000～1200℃，并保温1～2h。●化学气相沉积(CVD)和沥青浸渍/碳化两种方法相结合将泡沫碳预制体放在CVD沉积炉中，升温到950～1200℃，以甲烷、丙烷或天然气等碳氢气体为沉积气源，氮气等气体为稀释气体，沉积压力为0.5～5kPa。当泡沫碳预制体处在这种环境中，碳氢气体分解出热解碳和废气。热解碳沉积在泡沫碳的孔隙、裂纹和纤维表面，而废气通过真空泵排出。通过控制反应气体的压力和流量、反应温度、样品的摆放，热解碳结构分为粗糙层，光滑层和各相同性层三种。将经过化学气相沉积的材料放在一个容器里，沥青(中间相沥青、煤-焦油沥青等)放在另一个与之相通的容器里。通过真空泵，把泡沫碳预制体孔隙中的空气排出，然后将沥青升温到溶化点(250～350℃)以上，接着把容器中的沥青倒入放泡沫碳的容器中并将泡沫碳覆盖，再通入氮气，使容器的压力达到一个大气压。由于溶化的沥青有较好的流动性，沥青就充满泡沫碳的孔隙，达到致密化的效果。然后对浸渍沥青的材料进行碳化高温热处理。把材料放在真空碳化炉中，在真空状态下，以30～50℃/h的升温速率，升温到1000～1200℃，并保温1～2h。(4)高温热处理对经过致密化的材料进行高温热处理。把材料放在真空碳化炉中，在真空状态下，以30～50℃/h的升温速率，升温到1500～1800℃，并保温2～4h，即得成品。其中，制备酚醛泡沫所用的发泡剂是戊烷或丁烷或碳酸氢钠等；其中，制备酚醛泡沫所用的酚醛树脂为热固性酚醛树脂；其中，制备酚醛泡沫所用的固化剂是盐酸或硫酸或磷酸或对甲苯磺酸等；其中，制备酚醛泡沫所用的表面活性剂是吐温-80。其中，制备酚醛泡沫所用的添加剂是碳纤维，该碳纤维是聚丙烯氰基(PAN)纤维或沥青基纤维，纤维长度为2～15mm；其中，制备酚醛泡沫所用的添加剂是石墨粉。本专利技术一种轨道车辆用碳基制动材料，其优点是质量轻，耐腐蚀，耐磨损，抗氧化性能好，线膨胀系数低，摩擦数稳定、使用噪音小和性价比低。附图说明图1.制动材料制备的工艺过程图2.泡沫碳的微观结构3.泡沫碳密度和循环次数的关系图图4.致密化后的碳泡沫微观结构5.泡沫碳的微观结构6.致密化后的碳泡沫微观结构图符号说明km/h千米/小时、m3/h立方米/小时、Pa 帕、KPa千帕、MPa兆帕、 wt％重量百分比、 Pa·S帕、g/cm3克/立方厘米、℃/h摄氏度/小时、 ℃/h摄氏度/小时、m质量、min分钟、 h小时、mm毫米、 CVD化学气相沉积、 PAN聚丙烯氰基具体实施方式本专利技术一种轨道车辆用碳基制动材料，其特征在于该材料的制造方法包括以下几个步骤(1).酚醛泡沫的制备先将既定发泡剂、固化剂和碳纤维(石墨粉)按重量百分比比例要求均匀混合。在酚醛树脂中加入表面活性剂并预热(50℃)，然后加入发泡剂、固化剂和碳纤维(石墨)的混合物，用机械搅拌和超声波振荡相结合的方式对混合物进行搅拌4min后倒入模具，在80℃下发泡，得到酚醛泡沫。通过改变发泡剂的加入量(例如3wt％，5wt％，8wt％)可以得到不同密度(0.1～0.6g./cm3)和孔径大小(0.1～1mm)的酚醛泡沫。(2).酚醛泡沫的碳化热处理将酚醛泡沫在真空碳化炉中，在0.1Pa的真空状态下，以40℃/h的升温速率，升温到1000～1200℃，并保温2h，得到泡沫碳预制体，密度为0.1～0.5g/cm3。(3).泡沫碳预制体的致密化●化学气相沉积(CVD)将泡沫碳预制体放在CVD沉积炉中，升温到950～1200℃，以天然气，丙烷作为沉积气源，氮气为稀释气体，流量为0.1～5m3/h，沉积压力为1～5kPa。当泡沫碳预制体处在这种环境中，碳氢气体分解出热解碳和废气。热解碳沉积在泡沫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轨道车辆用碳基制动材料的制造方法，其特征在于：该制造方法包括以下几个步骤：（１）酚醛泡沫的制备；（２）酚醛泡沫的碳化热处理；（３）泡沫碳预制体的致密化；（４）高温热处理；（１）酚醛泡沫的制备：①组成的成分及其重量百分比如 下：酚醛树脂６０～８０％固化剂１０～２０％发泡剂３～１０％表面活性剂３～８％添加剂０～１５％②制造方法：在酚醛树脂中加入表面活性剂，然后在４０～６０℃温度下预热酚醛树脂，然 后加入发泡剂、固化剂和添加剂，用机械搅拌和超声波振荡相结合的方式对混合物进行搅拌后倒入模具中，在４０～１００℃温度下发泡就可得到酚醛泡沫；通过改变发泡剂的加入量，可以得到不同密度和孔径大小的酚醛泡沫；（２）酚醛泡沫的碳化热处理： 将酚醛泡沫在真空碳化炉中，在真空状态下，以３０～５０℃／小时的升温速率，升温到１０００～１２００℃，并保温１～４小时，得到泡沫碳预制体，密度为０．１～０．５ｇ／ｃｍ↑［３］；（３）泡沫碳预制体的致密化：泡沫碳预制体的致密 化方法与制备碳纤维增强碳基体复合材料的方法相似：化学气相沉积、沥青浸渍／碳化，或者是化学气相沉积＋沥青浸渍／碳化两种方法相结合；●化学气相沉积：将泡沫碳预制体放在ＣＶＤ沉积炉中，升温到９５０～１２００℃，以甲烷、丙烷或天然气 等碳氢气体为沉积气源，氮气等气体为稀释气体，沉积压力为０．５～５千帕；当泡沫碳预制体处在这种环境中，碳氢气体分解出热解碳和废气；热解碳沉积在泡沫碳的孔隙、裂纹和纤维表面，而废气通过真空泵排出；通过控制反应气体的压力和流量、反应温度、样品的摆放，热解碳结构分为粗糙层，光滑层和各相同性层；●沥青浸渍／碳化：将泡沫碳预制体放在一个容器里，沥青放在另一个与之相通的容器里。通过真空泵，把泡沫碳预制体孔隙中的空气排出，然后将沥青升温到溶化点以上，接着把容器中的沥青倒入放泡 沫碳的容器中并将泡沫碳覆盖，再通入氮气，使容器的压力达到一个大气压；由于溶化的沥青有较好的流动性，沥青就充满泡沫碳的孔隙，达到致密化的效果；对浸渍沥青的泡沫碳预制体进行碳化高温热处理，把材料放在真空碳化炉中，在真空状态下，以３０～５ ０℃／小时的升温速率，升温到１０００～１２００℃，并保温１～２小时；●化学气相沉积和沥青浸渍／碳化两种方法相结合：将泡沫碳预制...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，张仁钦，李强，罗京华，李进松，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]