基于Ｃ／Ｃ复合材料的部件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及基于Ｃ／Ｃ复合材料的部件及其制造方法。在制造碳纤维预成型体之后，并在完成用碳基体致密化预成型体之前，用由溶胶－凝胶型溶液和／或胶体悬浮液形成的液体进行浸渍以使得一种或多种锆化合物能够被分散。进行浸渍以及后续的处理直至获得最终部件，使得在最终部件中具有重量分数为１％至１０％的一种或多种锆化合物的颗粒或微晶，且所述颗粒或微晶具有至少大部分ＺｒＯｘＣｙ型的组成，其中１≤ｘ≤２且０≤ｙ≤１。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于碳/碳(C/C)复合材料的部件，特别是如飞机制动盘的摩擦部件。 尽管如此，本专利技术不限于该应用，其还应用于其他类型的C/C复合材料部件，特别是需要改 进的机械性能的那些。
技术介绍
由C/C复合材料制成的飞机制动盘正广泛使用。这种盘的制造通常包括由碳纤维 制造形状接近待制造的盘的形状的纤维预成型体的步骤，所述预成型体用于构成复合材料 的纤维增强件，然后用碳基体致密化预成型体。由碳纤维制造纤维预成型体的一个已知方法包括重叠碳前体纤维，例如预氧化聚 丙烯腈(PAN)的纤维层片，将层片例如通过针刺粘合在一起，以及进行碳化热处理以将前 体转化为碳。尤其可以提及的是文献US 5 792 715。通过进行化学气相渗透(CVI)用碳基体致密化预成型体。将预成型体置于封闭体 (enclosure)中，向其中通入包含一种或多种碳的前体的气体，例如甲烷和/或丙烷。控制 封闭体中的温度和压力从而使得气体能够在预成型体内扩散并通过前体分解在其中形成 热解碳(PyC)的固体沉积。尤其在文献US 5 904 957中描述了致密化以堆垛形式放置的 多个制动盘的环状预成型体的方法。也可使用液体技术，即通过用碳前体(通常为树脂)浸渍预成型体，然后热解前体 进行使用碳基体的致密化，通常进行多个浸渍和热解循环。致密化方法也是公知的，据说其取决于“加热”(calefaction)，其中将待致密化的 盘预成型体浸渍在碳前体(例如甲苯)的浴中，并例如通过电感耦合进行加热，从而使得前 体蒸发接触预成型体，并在其中扩散以通过分解形成PyC沉积。这样的方法尤其描述在文 献 US 5389 152 中。在对基于C/C复合材料的制动盘所期待的各种性能中，非常需要的是低磨损。为了改进耐磨性，已提出很多方案以在C/C复合材料中引入陶瓷颗粒。因此，文献US 6 376 431描述了用包含二氧化硅(SiO2)前体的溶胶-凝胶型溶液 浸渍碳纤维预成型体，在热处理和与碳化学反应后，留下分布在预成型体内的碳化硅(SiC) 颗粒，该颗粒不超过最终C/C复合材料的1重量％。文献WO 2006/067184推荐用溶胶-凝胶型溶液或胶体悬浮液浸渍用于制造预 成型体的纤维结构的层片以获得诸如钛的氧化物(TiO2)、锆的氧化物(ZrO2)、铪的氧化物 (HfO2)以及硅的氧化物(SiO2)的氧化物的颗粒的分散。后续的热处理将那些氧化物颗粒 转化为碳化物颗粒。文献EP 1 748 036描述了用包含碳前体树脂和诸如Si02、TiO2, ZrO2等的金属氧 化物的颗粒的泥釉(slip)浸渍碳纤维基材。在热处理后，获得包含通过转化氧化物粒子而 得到的碳化物颗粒的C/C复合材料。该例子示例了具有数微米尺寸的氧化物颗粒的使用。文献EP 0 507 564描述了通过混合碳纤维、陶瓷粉末和碳粉末，模制并烧结来制造C/C复合材料部件，所述陶瓷粉末例如为氧化物(如Si02、TiO2, ZrO2等)或氮化物。在 实施例2中提到了使用由微米尺寸的颗粒构成的&02粉末，其中&02在最终复合材料中的 量为6. 2%。应该观察到在设想的陶瓷粉末中，ZrO2远不能提供最佳的磨损结果。文献EP 0 404 571描述了类似于EP 0 507 564的方法，但是该方法用于形成具 有低摩擦系数的滑动部件。
技术实现思路
本专利技术试图提出一种方法，该方法能够获得具有改进性能的掺入陶瓷颗粒的基于 C/C复合材料的部件，特别是呈现低磨损和摩擦系数的适合应用于制动，且特别地在进行高 能量制动时为稳定的摩擦部件。该目的通过如下类型的方法实现，该方法包括制造碳纤维的预成型体，用碳基体 致密化预成型体，在制造过程中引入分散在部件中的陶瓷颗粒或粒子，在该方法中，在完成致密化之前，使用由溶胶_凝胶型溶液和/或胶体悬浮液形 成的液体进行浸渍以使得一种或多种锆化合物能够被分散，并且进行浸渍以及后续的处 理直至获得最终部件，使得在最终部件中，一种或多种锆化合物的颗粒或微晶的重量百分 比为至10%，且所述颗粒或微晶具有至少大部分&0xCy型的组成，其中1 < X < 2且 0 ^ y ^ I0文中所用的术语“大部分”是指&0xCy相占分散在部件中的陶瓷颗粒或微晶的50 重量％以上，优选90重量％以上。除了如上定义的&0xCy型的化合物外，也可以存在，但以 少量存在&-0-C体系的化合物和包含&、0、C和一种或多种其他元素(例如氮N)的体系 的化合物。如在具体实施方式中所解释的，该方法的显著之处在于其能够使得摩擦部件的总 体磨损相比于由未掺入陶瓷颗粒的常规C/C复合材料制得的磨损部件获得非常可观的降 低，特别是将其应用于导致基于C/C复合材料的飞机制动盘大部分磨损的低能制动操作的 过程中。同样如在具体实施方式中所示，该方法的显著之处还在于其能够获得非常好的机 械性能，这对于基于C/C复合材料的部件而言呈现出独特的优势，而不论其目的为何。在一个实施方案中，使用包含氧化锆&02的一种或多种前体的溶胶_凝胶型溶液 进行浸渍。有利地进行浸渍以使得在最终部件中，存在平均尺寸为200纳米以下，例如几纳 米至几十纳米的纳米微晶，所述微晶形成分布于部件的整个体积中的具有数微米尺寸的块 或颗粒。有机锆化合物可用作&0xCy的前体，例如为氧化锆前体的锆酸四丁酯。溶胶-凝胶型溶液也可包括一种或多种碳前体化合物，特别是蔗糖。在浸渍后，进行热处理以分解前体并稳定结晶形式的锆化合物。热处理在600°C至 1700°C，优选900°C至1550°C的温度下进行。热处理的持续时间可为1小时至数十小时，优 选2小时至5小时，特别是当浸渍和热处理后接着进行在通常大约1000°C的温度下的CVI 致密化过程时，有可能选择相对较短的持续时间，热处理和通过CVI的致密化有可能在相 同的烘箱中一个接一个地进行。在热处理过程中，形成部分&-0-C体系的化合物可由包含在溶胶_凝胶型溶液 中的前体形成，或者通过来自前体的如氧化锆的锆化合物与碳之间的反应形成。所述碳可 为纤维的碳或为已存在的基体相的碳，或者实际上其可为来自溶胶-凝胶型溶液的组分的 碳，特别是衍生自蔗糖的碳。控制总体热处理，包括在CVI过程中可能的暴露于高温，从而 最终获得一种或多种具有至少大部分&0xCy (其中1 < X < 2且0 < y < 1)的类型的锆化 合物。在另一具体实施方案中，用包含一种或多种锆化合物的粒子的胶体悬浮液，例如 氧化锆的胶体悬浮液进行浸渍。然后在需要时，任选地进行热处理以稳定结晶形式的锆化合物，如对于氧化锆所 公知的。在热处理过程中，有可能与纤维的碳或已存在的基体相的碳发生有限的化学相互 作用。任选的热处理优选限于获得稳定，且在任何情况下控制任选的热处理以最终获得一 种或多种具有大部分&0xCy (其中1 < χ < 2且0 < y < 1)的类型的锆化合物。在一个实施方案中，在致密化之前，在纤维预成型体上或在用于形成层片的纤维 结构上进行浸渍，所述层片被重叠且粘合在一起以构成纤维预成型体。在热处理(若有的 话)后，纤维完本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造基于碳／碳复合材料的部件的方法，该方法包括制造碳纤维的预成型体，用碳基体致密化预成型体，以及在制造过程中引入分散在部件中的陶瓷颗粒或粒子，该方法的特征在于：在完成致密化之前，使用由溶胶－凝胶型溶液和／或胶体悬浮液形成的液体进行浸渍以使得一种或多种锆化合物被分散，并且进行浸渍以及后续的处理直至获得最终部件，使得在最终部件中一种或多种锆化合物的颗粒或微晶的重量百分比为１％至１０％，且所述颗粒或微晶具有至少大部分ＺｒＯ↓［ｘ］Ｃ↓［ｙ］型的组成，其中１≤ｘ≤２且０≤ｙ≤１。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S博，P雅克马尔，R帕耶，M罗兰，M波德戈斯基，
申请(专利权)人：马塞尔布加蒂股份有限公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]