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CN105541364A - 一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法 - Google Patents

一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法 Download PDF

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CN105541364A CN201510944845.0A CN201510944845A CN105541364A CN 105541364 A CN105541364 A CN 105541364A CN 201510944845 A CN201510944845 A CN 201510944845A CN 105541364 A CN105541364 A CN 105541364A
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Abstract

本发明公开了一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法。本发明将石墨粉、硅粉等添加剂与树脂混合溶解，然后预先涂覆在由碳纤维丝束编织而成的碳纤维布上，晾干叠层后再进行模压成型，最后加工炭化得到碳纤维增强的陶瓷复合材料制动盘。本发明通过石墨粉、硅粉的添加可达到一步致密化获得较高密度的碳陶复合材料目的，克服了气相沉积和液相浸渍方法的制备周期长、过程难控制等缺点。

Description

一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法
技术领域
本发明涉及一种生产汽车制动盘的方法，尤其是涉及一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法。
背景技术
盘式制动器是目前乘用车最普遍使用的制动器，它具有结构简单、反应迅速、效果稳定、易维修等优点。制动盘是盘式制动系统的核心部件，它的性能决定着汽车的制动安全性的驾驶舒适性。目前广泛使用的盘式制动器材料为铸铁，它具有容易加工和耐磨性较好等优点，但是它也具有质量大、热稳定性较差、容易生锈、制动噪音大等缺点。
随着汽车零部件制造技术的发展，制动盘正向着质量更轻、摩擦系数更大以及耐久性更好的方向发展。面对乘用车对高性能制动盘的迫切需求，研发新型制动盘材料不仅有重大的现实意义，而且还具有巨大的推广应用价值。
碳纤维增强陶瓷制动盘，是采用碳纤维作为增强材料的一类摩擦材料，它充分利用了碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度小、导热好、耐高温、耐摩擦、热稳定性好等特点，同时又兼具陶瓷材料的高硬度等特点。碳纤维在碳陶复合材料中起到承载载荷的作用，而陶瓷和碳素基体在碳陶复合材料中起到传递载荷的作用。
碳纤维是否能在碳陶复合材料中发挥作用取决于陶瓷和碳素基体是否致密，所以致密化工艺是决定着碳陶复合材料的性能的关键。碳陶复合材料制备的第一步首先是将碳纤维编织成预制体，然后将陶瓷和碳素前驱体引入预制体内，通过高温裂解使碳素和陶瓷与碳纤维结合形成致密的复合材料，这一步称为致密化。
目前碳陶复合材料的致密化方法主要包括如下几种：(1)化学气相沉积法，将陶瓷和碳素前驱气体在高温下裂解，使陶瓷和碳素沉积于碳纤维预制体上以达到致密化的目的；(2)液相浸渍法，将碳纤维浸渍于碳素前驱液体内，然后固化成型，再放入高温炉内进行裂解，最后用熔融硅深入碳碳坯体以达到致密化目的；上述工艺中(1)制备工艺周期长，气体利用率低，成本高，沉积后期表面开气孔被堵塞，需要进行加工后继续沉积，工艺复杂。工艺(2)在高温裂解过程中由于裂解气逸出造成复合材料气孔率极高，需要进行反复浸渍—高温裂解循环，工艺时间长、密度偏低。
发明内容
为了克服现有致密化工艺存在的不足，本发明的目的在于提供了一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法，通过一步致密化获得较高密度碳陶复合材料制动盘，增强陶瓷汽车制动盘。
本发明采用的技术方案是采用以下步骤：
步骤一：碳纤维预制体的编织
将碳纤维丝束进行平纹编织或者缎纹编织成碳纤维布，碳纤维布边缘用可裂解聚合物线进行锁边以防止碳纤维丝束错位；
步骤二：碳纤维预浸渍体的制备
将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为30-60:2-20:30-70:70-90，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；
步骤三：碳纤维预浸渍体的模压成型
将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至10-30MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；
步骤四：碳纤维预成型体的加工
将碳纤维预成型体进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；
步骤五：碳纤维预成型体的炭化
将碳纤维预成型体置于炭化炉内进行炭化处理，碳化温度为1400℃，最终得到碳陶制动盘。
所述步骤一中的可裂解聚合物线为丙纶或者涤纶。
所述步骤一中的碳纤维丝束为1K、3K、6K或者12K的碳纤维丝束。
所述步骤二的树脂粉采用为高残碳树脂或沥青。
所述步骤二的石墨粉和硅粉均为10000目。
所述步骤二得到的溶液用软毛刷均匀刷涂在碳纤维布的表面。
所述步骤二的碳纤维预浸渍体进行裁剪后再进行叠层。
所述步骤五的炭化炉内炭化处理时用氩气、氮气或真空进行保护。
本发明的有益效果是：
本发明将石墨粉、硅粉等添加剂与树脂混合溶解，然后预先涂覆在碳纤维布上，再进行模压成型炭化，最后得到碳纤维增强陶瓷复合材料制动盘。
本发明与传统液相浸渍区别在于石墨粉和硅粉的添加，似的炭化过程密度变化率较小，能通过一步成型炭化获得较大密度的碳陶复合材料制动盘，克服了气相沉积和液相浸渍方法的制备周期长、过程难控制等缺点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明方法包括以下步骤：
步骤一：碳纤维预制体的编织
将碳纤维丝束进行平纹编织或者缎纹编织成碳纤维布，碳纤维布边缘用可裂解聚合物线进行锁边以防止碳纤维丝束错位；
步骤二：碳纤维预浸渍体的制备
将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为30-60:2-20:30-70:70-90，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；
步骤三：碳纤维预浸渍体的模压成型
将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至10-30MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；
上述的固化压力、温度和时间可根据不同树脂或沥青进行确定。
步骤四：碳纤维预成型体的加工
将碳纤维预成型体按照制动盘图纸进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；
步骤五：碳纤维预成型体的炭化
将碳纤维预成型体置于炭化炉内进行炭化处理，碳化温度为1400℃，最终得到碳陶制动盘。
优选的步骤一中的可裂解聚合物线为丙纶或者涤纶。
优选的步骤一中的碳纤维丝束为1K、3K、6K或者12K的碳纤维丝束。
优选的优选的步骤二的树脂粉采用为高残碳树脂或沥青。
优选的步骤二的石墨粉和硅粉均为10000目。
优选的步骤二得到的溶液用软毛刷均匀刷涂在碳纤维布的表面，但不限于此。
步骤二中得到的碳纤维预浸渍体先按制动盘图纸要求进行裁剪后再进行叠层，然后模压成型。
优选的步骤五的炭化炉内炭化处理时用氩气、氮气或真空进行保护，以防止碳素材料发生氧化。
本发明碳陶复合材料制备首先是将碳纤维编织成预制体，然后将陶瓷和碳素前驱体引入预制体内，通过高温裂解树脂或沥青使碳素和陶瓷与碳纤维结合形成致密的复合材料。
本发明使用树脂、石墨粉和硅粉的混合溶液预先对碳纤维布进行涂覆，让石墨粉和硅粉被树脂包裹有效提高其结合强度，石墨粉和硅粉的添加与碳纤维编织布相互配合，使石墨粉和硅粉能够很好的填充纤维束之间的孔隙。石墨粉与硅粉被树脂热解碳连接，与碳纤维形成更好的结合。通过本一步致密化工艺制备的碳陶制动盘，经过炭化密度可达1.45g/cm3以上，平行于碳纤维方向的拉伸强度可达98MPa以上。与传统液相浸渍制备工艺一次炭化后密度0.8-1.1g/cm3，强度40-70Mpa相比，有了很大提升。
本发明的实施例如下：
实施例1
将1K的碳纤维丝束编织成平纹布，并用热熔型丙纶进行锁边以防止纤维束错位。将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为30:20:30:70，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至10MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；将碳纤维预成型体按照制动盘图纸进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；在1400℃温度下炭化，一次炭化得到密度不低于1.45g/cm3，强度不低于98Mpa的碳陶复合材料制动盘。
实施例2
将3K碳纤维丝束编织成平纹布，并用热熔型丙纶进行锁边以防止纤维束错位。将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为45:8:50:90，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至10MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；将碳纤维预成型体按照制动盘图纸进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；在1400℃温度下炭化，一次炭化得到密度不低于1.45g/cm3，强度不低于98Mpa的碳陶复合材料制动盘。
实施例3
将1K的碳纤维丝束编织成平纹布，并用热熔型丙纶进行锁边以防止纤维束错位。将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为60:2:30:90，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至10MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；将碳纤维预成型体按照制动盘图纸进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；在1400℃温度下炭化，一次炭化得到密度不低于1.45g/cm3，强度不低于98Mpa的碳陶复合材料制动盘。
实施例4
将6K的碳纤维丝束编织成平纹布，并用热熔型丙纶进行锁边以防止纤维束错位。将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为30:20:60:70，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至20MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；将碳纤维预成型体按照制动盘图纸进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；在1400℃温度下炭化，一次炭化得到密度不低于1.45g/cm3，强度不低于98Mpa的碳陶复合材料制动盘。
实施例5
将3K碳纤维丝束编织成平纹布，并用热熔型丙纶进行锁边以防止纤维束错位。将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为45:20:70:80，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至20MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；将碳纤维预成型体按照制动盘图纸进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；在1400℃温度下炭化，一次炭化得到密度不低于1.45g/cm3，强度不低于98Mpa的碳陶复合材料制动盘。
实施例6
将1K的碳纤维丝束编织成平纹布，并用热熔型丙纶进行锁边以防止纤维束错位。将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为60:2:40:70，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至20MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；将碳纤维预成型体按照制动盘图纸进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；在1400℃温度下炭化，一次炭化得到密度不低于1.45g/cm3，强度不低于98Mpa的碳陶复合材料制动盘。
实施例7
将12K的碳纤维丝束编织成平纹布，并用热熔型丙纶进行锁边以防止纤维束错位。将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为30:20:70:90，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至30MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；将碳纤维预成型体按照制动盘图纸进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；在1400℃温度下炭化，一次炭化得到密度不低于1.45g/cm3，强度不低于98Mpa的碳陶复合材料制动盘。
实施例8
将12K的碳纤维丝束编织成平纹布，并用热熔型丙纶进行锁边以防止纤维束错位。将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为60:15:40:70，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至30MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；将碳纤维预成型体按照制动盘图纸进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；在1400℃温度下炭化，一次炭化得到密度不低于1.45g/cm3，强度不低于98Mpa的碳陶复合材料制动盘。
实施例9
将6K的碳纤维丝束编织成平纹布，并用热熔型丙纶进行锁边以防止纤维束错位。将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为60:20:70:90，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至30MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；将碳纤维预成型体按照制动盘图纸进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；在1400℃温度下炭化，一次炭化得到密度不低于1.45g/cm3，强度不低于98Mpa的碳陶复合材料制动盘。
由上述实施例可见，本发明制成的碳陶复合材料制动盘具有较大密度和强度，克服了气相沉积和液相浸渍方法的制备周期长、过程难控制等缺点。

Claims (8)

1.一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：碳纤维预制体的编织
将碳纤维丝束进行平纹编织或者缎纹编织成碳纤维布，碳纤维布边缘用可裂解聚合物线进行锁边以防止碳纤维丝束错位；
步骤二：碳纤维预浸渍体的制备
将石墨粉、硅粉和树脂粉进行混合溶于无水乙醇中，石墨粉、硅粉、树脂粉和无水乙醇的质量比为30-60:2-20:30-70:70-90，充分搅拌使溶液内无团聚粉料；将该溶液预先均匀涂覆在碳纤维布的表面，然后在常温下充分晾干，得到碳纤维预浸渍体；
步骤三：碳纤维预浸渍体的模压成型
将碳纤维预浸渍体进行叠层，每一层的纤维排布方向与下一层错开角度使得相邻两层的纤维排布方向不相同；然后将叠层后的碳纤维预浸渍体置于模压模具的型腔内，初始加压至10-30MPa的压力，保持初始加压压力先升温至120℃，最后保持压力不变升温至180℃，保温30分钟进行固化形成碳纤维预成型体；
步骤四：碳纤维预成型体的加工
将碳纤维预成型体进行加工打孔，切除多余边角后对表面进行抛光处理；
步骤五：碳纤维预成型体的炭化
将碳纤维预成型体置于炭化炉内进行炭化处理，碳化温度为1400℃，最终得到碳陶制动盘。
2.根据权利要求1所述的一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法，其特征在于：所述步骤一中的可裂解聚合物线为丙纶或者涤纶。
3.根据权利要求1所述的一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法，其特征在于：所述步骤一中的碳纤维丝束为1K、3K、6K或者12K的碳纤维丝束。
4.根据权利要求1所述的一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法，其特征在于：所述步骤二的树脂粉采用为高残碳树脂或沥青。
5.根据权利要求1所述的一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法，其特征在于：所述步骤二的石墨粉和硅粉均为10000目。
6.根据权利要求1所述的一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法，其特征在于：所述步骤二得到的溶液用软毛刷均匀刷涂在碳纤维布的表面。
7.根据权利要求1所述的一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法，其特征在于：所述步骤二的碳纤维预浸渍体进行裁剪后再进行叠层。
8.根据权利要求1所述的一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法，其特征在于：所述步骤五的炭化炉内炭化处理时用氩气、氮气或真空进行保护。
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